Keskkonnaaspektid keemia õpetamisel koolis
Sissejuhatus
Meie rasketel aegadel. Kui keemiast kui teadusest sai sotsiaalne heidik. Peame üle vaatama nii aine sisu kui ka õpetamise meetodid, muutes mitte ainult rõhuasetusi, vaid ka prioriteete, et kemofoobiast üle saada.
Kursuse põhiküsimused peaksid olema määratud nii teadmiste omandamise olulisusest õpilaste intelligentsi arendamisel kui ka nende teadmiste olulisusest inimese reaalses elus ja tema praktilises tegevuses. Sellest vaatenurgast on keemiahariduse edasiminek vajalik, kuna ilma selleta on võimatu rahuldada ühiskonna objektiivseid vajadusi keemiateaduse ja tööstuse saavutuste laialdaseks kasutamiseks.
Kaasaegse koolikeemiaõpetuse kontseptsioon lähtub hariduse humaniseerimise, individualiseerimise ja diferentseerimise põhimõtetest, palju tähelepanu pööratakse keskkonnaaspektidele, üldkultuuri arendamisele, kooliõpilaste tervise tugevdamisele, keskkonnaalase kirjaoskuse tõstmisele.
Praegused teemad.
Keemia kui üks fundamentaalseid teadmiste valdkondi määrab suuresti teiste oluliste teaduse ja tehnoloogia valdkondade arengu. On teada, et ilma keemia, keemiliste protsesside ja keemiatoodeteta ei saa eksisteerida ainsatki tootmist ega ühtki kaasaegse majanduse ja sotsiaalsfääri haru.
On vaja tagada, et õpilased mõistaksid keemia praktilist tähendust ja seost igapäevaeluga. Nad peavad olema veendunud võimaluses leida keemia kaudu vastuseid teistele “miks”-dele oma elu- ja tootmishuvide sfäärist. Eriti oluline on lahendada inimeste elementaarse “keemilise” valmisoleku küsimus, sest tänapäeval puutub peaaegu igaüks meist kokku ainetega, mis võivad inimesele kahju tekitada. Siiski ei ole paljud tarbijad, kes kasutavad narkootikume, kosmeetikat ja parfüüme, värvaineid, plastmassi, väetisi, kiude, erinevaid kütuseliike jne, teadlikud kasutamisega kaasnevatest ohtudest. See vastuolu põhjustab palju probleeme, mis tabavad inimesi. Paraku toimub enamikus koolides aktiivne õppe-kasvatustöö õpilastega igapäevaelus ja tootmises levinud keemiliste ühendite põhiomaduste iseloomustamisega eelkõige nende keskkonnamõju osas äärmiselt nõrgalt ja ebaregulaarselt. Põhimõtteliselt saavad õpilased vaid üldteoreetilisi ideid, mis ei ole kohandatud elu tegelikkusele ja eriti keskkonnaprobleemidele.
Negatiivne suhtumine keemiasse toob kaasa suutmatuse kohaneda tsiviliseeritud, kaasaegse eluga, keskkonnaalase kirjaoskamatusega, mille tagajärjeks ei ole mitte ainult koolilaste haridus, vaid ka keskkonna viitsütikuga pommide ettevalmistamine. See ainult süvendab konflikti inimese ja looduse vahel.
Viimastel aastatel on keemilis-ökoloogilise haridusega seotud tööd alustatud mitmetes teadus- ja hariduskeskustes erinevates riikides, kuid sageli olid need deklaratiivse iseloomuga.
Näen oma ülesannet õpilastes teadmiste omandamise soovi sisendamises; veenduge, et õppeprotsess ise köidab neid; aitas kaasa tunnetusliku tegevuse ja aine vastu huvi arendamisele. Selleks lisan keemiakursuse õppekavasse keskkonna- ja valeoloogiaküsimuste käsitlemise. Selle programmi eesmärk on arendada õpilastes loodusteaduslikke ideid ümbritseva maailma ja selle seaduste, humanistlike suhete ja keskkonnateadliku käitumise kohta ning õpilaste intellektuaalset moraalset täiustamist. Programmi sisu valmistab lapsi ette maailma keemilise pildi teadlikuks tajumiseks ja pakub integreeritud põhimõtte rakendamist, st nõuab õpilastelt teadmiste ja oskuste rakendamist erinevatest loodusringe ainetest. Töö asjakohasus on tingitud probleemidest, mis seisnevad keemiaaine üldtuntud abstraktsuse ületamises, selle hindamise kallutatuses ning keemiliste mõistete seostes reaalse inimelu keskkonnaaspektidega.
Töö eesmärgid ja eesmärgid:
Keskkonnahoidliku keemiaõppe põhiprintsiipide arvestamine;
Ökoloogilise kultuuri kujundamise vormide ja meetodite (võtete) analüüs keemia õpetamisel;
Inimese rolli iseloomustus looduse tunnetus-, teisenemis- ja kasutusprotsessis.
Töö praktiline tähtsus seisneb selles, et see sisaldab keemiakursuse põhisätete keskkonnakommentaaride metoodilisi uurimusi, mis võimaldavad omandada keemiaseadusi konkreetsete keskkonnanäidete abil; loodusteadliku suhtumise, keskkonnateadliku käitumise kujundamise meetodite kaalumine ebasoodsates keskkonnatingimustes.
Lütseumi nr 4 töö elluviimise tulemused näitasid selle tulemuslikkust ja praktilist väärtust, suurendades õpilaste huvi loodus- ja ökoloogilise tsükli ainete vastu; võimaldas ümber mõelda erinevaid käsitlusi keemia saavutuste praktilises inimtegevuses kasutamise arvestamisest, keemiateadmiste rakendusliku olemuse olulisusest.
Töö aprobeerimine. Töö põhitulemusi kajastati ja arutati lütseumi nr 4 pedagoogilistel nõukogudel, lütseumi loodusliku ja ökoloogilise tsükli osakonna teadusliku ja metoodilise nõukogu koosolekutel. Kominternovski rajooni koolidirektorite seminaril peeti koos füüsikaõpetajaga õppetund teemal “Soojusmasinad ja keskkonnakaitse”, mis lähtus probleemi füüsikalistest, keemilistest ja keskkonnaaspektidest. Töö materjalide põhjal avaldati artiklid kogumikus „Voroneži haridus sajandivahetusel. Haridusvaldkond "Loodusteadus". Keemia "Kahe aastatuhande piiril, kahe sajandi vahetusel."
1. PEATÜKK
Keemiaõpetuse rohelisemaks muutmise probleemi seis aastal
teadus ja praktika.
1.1. Keskkonnahariduse juurutamise vajadus keskkoolis ja selle aluspõhimõtted.
Maailma üldsuse ees seisvate tänapäevaste probleemide hulgas paistab eriti silma üks - inimkeskkonna kvaliteedi halvenemise probleem. See on oma olemuselt globaalne ja teeb muret kõigi riikide inimestele. Esimene riik, mis tundis looduskeskkonna keemilise reostuse negatiivset mõju, oli Jaapan. Selles riigis mõjutab tööstustoodang otseselt üle 80% territooriumist. Jaapanlased olid esimesed, kes rääkisid "kogai" probleemist, mis tähendab keskkonnareostusest tulenevat kahju. Varsti puutusid selle probleemiga kokku ka teised riigid. Keskkonnasaaste suurenemine on nähtav ja põhjustab inimeste emotsionaalset kriitikat. Tavaliselt on elanikkonna peamised kaebused suunatud keemiale. Samal ajal jääb keemiatööstus saaste poolest märgatavalt alla kütuse- ja energiakompleksile, autotranspordile, must- ja värvilisele metallurgiale ning isegi tööstusele. Viimastel aastatel on kõige ebasoodsamaks kujunenud Voroneži linna atmosfääri saastamine autode heitgaasides ja tolmus sisalduva bensopüreeniga, mille osakaal igapäevastes mittestandardsetes laborianalüüsides on 15-20%. Muldkatte ökoloogiline ja geokeemiline uuring näitas, et olukord pinnase saastumise osas plii ja tsingiga on väga ebasoodne. Pinnaseproovide mitterahuldavate analüüside osakaal linnas tervikuna on vastavalt 19,3 ja 15,5% ning linna tööstuslikus paremkaldaosas tõuseb see väärtus 40-46%-ni. Samal ajal on need koostisosad laste haiguse sagenemise spetsiifilised näitajad. Lastehaigustest Voronežis on ülekaalus hingamisteede haigused (65%), mille tase ületab kogu linna samalaadset Venemaa keskmist 1,2 korda. Suurenenud kontrolli vältimine eeldab ka kasvajaid ja kaasasündinud anomaaliaid, mille tasemete ruumilised erinevused on usaldusväärselt korrelatsioonis keskkonnareostuse intensiivsusega.
On leitud seoseid formaldehüüdi kontsentratsioonide vahel atmosfääris ja haiguse bronhiaalastma, samuti kõrge tolmutaseme vahel atmosfääris verehaigustega. Kopsupõletikku registreeritakse sagedamini piirkondades, kus on kõrge plii ja süsinikmonooksiidi sisaldus. Õhusaaste intensiivsuse kasvades kogevad lapsed hematoloogiliste parameetrite märgatavaid muutusi ja vastavat haigestumuse tõusu.
Praegustes tingimustes on vaja läbi viia objektiivne analüüs keskkonnareostuse laienemise ja tehnilist või bioloogilist päritolu keemiliste ühendite kontrollimatu levikuga seotud katastroofide sagenemise põhjuste kohta. Sellist analüüsi on raske läbi viia, kuid üldise probleemi puhul saab välja tuua kaks peamist aspekti. Esimene aspekt on seotud poliitika ja sotsioloogia valdkondadega ning puudutab vastuolusid majandusarengus.
Teine aspekt on seotud inimese enda valmisolekuga kasutada loodusteaduste saavutusi tootmises ja koduses sfääris.
Kerge, puhtalt tehnokraatlik suhtumine loodusesse ja otsene keskkonnateadmatus on toonud kaasa hulga pöördumatute tagajärgedega katastroofe. Koletu reostuse faktid on väga kõnekad ja elanikkond mõistab selle kuumalt hukka. Tekkinud retsidiive analüüsiti aga harva ja neid hinnati tavaliselt ainult emotsionaalsest vaatenurgast. Nii tekkis kemofoobia. Samal ajal näitab asjaolude range arvestus, et tekkivaid keskkonnarikkeid ei määra tavaliselt mitte keemia iseärasused, vaid ainult töötajate madal kvalifikatsioon ja mitte alati õige moraal.
Kõikide mainitud hädade algpõhjus, välja arvatud planeerimis- ja ehitusvead, on pikaajalised tegematajätmised keskkoolis keemiaõpetuses ja sellest tulenevalt elanikkonna puudulikud keemiaalased teadmised. Ilmneb silmatorkav vastuolu; Kõik inimesed tegelevad süstemaatiliselt kemikaalide ja protsessidega, kuid vaid vähesed suudavad oma tegevust mõistvalt parandada. Siiski tuleb märkida, et just keemiatundides saab selgelt ja veenvalt näidata nii inimese sekkumise negatiivseid külgi looduskeskkonda kui ka võimalikke viise, kuidas optimeerida inimtekkelisi mõjusid sellele.
Inimese teadvuse muutmiseks seoses keskkonnajuhtimise ja -haridusega on vaja vaevarikast tööd, keskkonnakultuuri juurutamist.
Keskkonnajuhtimise strateegia, mis põhineb ideel inimese võimust ja tema kasvamisest looduse üle teaduse ja tehnoloogilise revolutsiooni ajastul, mis tundus pikka aega kõigutamatu, osutus tegelikult lihtsalt inimkonna strateegiaks. “Õunapuu ideoloogia meie suhtest loodusega”, mis hõlmab palju tööd inimeste teadvuse taastamiseks, roheliseks muutmiseks. Selle olukorra teadvustamine aitas kaasa tõsiste ülesannete sõnastamisele nii praktilises kui ka fundamentaalteaduslike uuringute vallas. Keskkonnaprobleeme hakkasid uurima mitmesuguste teaduste esindajad, mitte ainult loodusteaduste, vaid ka humanitaarteaduste esindajad. Selle põhjuseks on asjaolu, et koos vajadusega töötada välja uus keskkonnajuhtimisstrateegia ja luua põhimõtteliselt uusi tööstustehnoloogiaid, on muutunud vajalikuks inimeste teadvuse ökoloogilise ümberkorraldamise ülesanne ja keskkonnateadmiste laialdane propageerimine.
Peamine on tehtud otsuste elluviimine, mis lõppkokkuvõttes sõltub meist endist, meie teadmistest, tõekspidamistest, tahtest. Siin on vaja põhimõtteliselt uut ökoloogilist mõtlemist, ületades tarbimispsühholoogia seoses loodusega. Ühiskond peab tundma looduse arengu põhiseadusi, leidma võimalusi probleemide lahendamiseks, õppima moraalse valiku ja prognoosi olukordades otsuseid langetama ehk läbima kogu ahela keskkonnateadmistest keskkonnamõtlemise ja keskkonnasäästliku käitumiseni.
Kõrgökoloogilise kultuuri kujunemine on võimalik eeldusel, et koolihariduse sisu sisaldab järgmisi elemente: teadmiste süsteem ühiskonna ja looduse koosmõjust; väärtustab keskkonnasuunitlust; normide ja reeglite süsteem loodusega, selle õppimise ja kaitsmise oskuse ja oskuste kohta.
Keskkonnaharidus ja -kasvatus on kooli üks põhiülesandeid.
1.2. Keskkonnaõpetuse sisu keemiatundides.
Keskkonnaharidus ja keskkonnaharidus on kaks põhirõhku, mis on seotud loodusesse suhtumise kujundamisega. Keskkonnahariduses on õpetaja tähelepanu suunatud keskkonnasuhetes kogunenud kogemuste ülekandmise ja assimileerimise protsessile õpilaste poolt ning keskkonnahariduse puhul sobivate isiksuseomaduste kujundamisele. Keskkonnahariduse ja -kasvatuse lõppeesmärk on sama - optimaalsete suhete kujundamine inimese ja tema keskkonna vahel. Rakendatakse ühtse pedagoogilise protsessi raames. Sisuliselt on lõppeesmärk palju sügavam. See seisneb õpilaste intellektuaalseks, isiklikuks ja sotsiaalseks arenguks tingimuste loomises, neisse isikliku vastutustunde tekitamises keskkonnaseisundi eest, soovi sügavalt mõista meie ökoloogilises arengus toimuvate muutuste olemust ja ebajärjekindlust. planeet
Keskkonnaalaste teadmiste süsteem peaks andma pöördepunkti inimeste teadvuses, maailmapildis ja suhtumises loodusvaradesse. Ökoloogiast on saanud universaalse inimkultuuri kaasaegse arenguetapi märk. Seetõttu on keskkonnahariduse eesmärk keskkonnakultuuri kujundamine. Ökoloogilise kultuuri mõiste hõlmab teadmisi ja oskusi, maailmavaate moraalse ja esteetilise arengu taset, inimestevahelise suhtluse meetodeid ja vorme.
Keskkonnahariduse sisu on nii rikkalik ja mitmekesine, et seda ei saa arendada ühe või mitme õppeaine raames. Seetõttu räägivad õpetajad keskkonnahariduse interdistsiplinaarsest olemusest, peaaegu kõigi õppeainete avaratest võimalustest ja igaühe erilisest tähtsusest õpilaste keskkonnakultuuri kujunemisel. Selle näiteks on keskkonnateadmiste rakendamine põhikoolis mitte ainult “Loodusloo” kursusel, vaid ka uutes kooliainete õppekavades. Arendatavad kursused on suunatud kõigi õppurite kaasamisele maailma igakülgse tundmise protsessi ning teadmiste üldise taseme tõstmisele. Uutes programmides eelistatakse neid aineid, mis on praegu olulisemad ja jäävad aktuaalseks ka järgmistel aastakümnetel.
Interdistsiplinaarne lähenemine eeldab iga õppeaine funktsiooni määratlemist keskkonnahariduse üldsüsteemis, interdistsiplinaarsete seoste esiletoomist, interdistsiplinaarsete käsitluste üldistamist, mis moodustavad kõigi akadeemiliste erialade terviklikkuse, mida ühendab eesmärk mõista ümbritsevat maailma. Akadeemiliste erialade sisu eeldab interdistsiplinaarset koordineerimist ja asjakohaste teadmiste järkjärgulist integreerimist.
Keskkonnaharidus on lahutamatult seotud teadmistega elementide interaktsiooni dialektilisest olemusest süsteemis “inimene-ühiskond-loodus”. Selle kolmainsuse peegeldus moodustab tuumiku, mis üldhariduse sisus võimaldab tsüklitevaheliste seoste tasandil avada loodusmaailma ja inimeste maailma ühtse tervikuna.
Keskkonnahariduse mudel ei sisalda ainult sisustruktuuri, vaid ka põhitingimusi eesmärgi saavutamiseks.
https://pandia.ru/text/78/141/images/image002_5.gif" width="612" height="372">Keskkonnahariduse tegurid, mis määravad kooliõpilaste vastutustundliku suhtumise looduskeskkonda.
Nooremale põlvkonnale tuleks selgitada, et praegune keskkonnaseisund kujutab inimkonnale samasugust ohtu kui tuumasõda. Ainus erinevus on selles, et keskkonnaprobleemid on salakavalamad... Ohtlik pettekujutelm on lohutus lootusest, et inimkond suudab lõpetada meid ümbritseva maailma hävitamise, kui see jõuab ökoloogilise hävingu lähedale. Jääb hiljaks! See on kogu probleemi salakavalus.
Nutikas, peen keskkonnaharidus ja uute põlvkondade harimine on jõud, mis suudab endiselt külmutada ja tagasi pöörata meie planeedi hävinguga ähvardava koletu mehhanismi kella nooled. .
Teadmised meid ümbritseva maailma olemusest toimivad loodusringe õppeainetes lõimiva lülina ning hariduse rohestamises on oluline roll keemiaõpetusel.
Koos alusteaduste, sealhulgas selle keele, olulisemate faktide, mõistete, teooriate ja seaduste valdamisega peaksid keemia õpetamise ideoloogilise olemuse kättesaadavad üldistused kaasa aitama: indiviidi arengule ja intellektuaalsele täiumisele; kujundada õpilastes keskkonnasõbralikku käitumist, mõistlikku suhtumist iseendasse, inimestesse ja looduskeskkonda; keemia arengu sotsiaalsest vajadusest arusaamise kujundamine, õpilaste suhtumise kujundamine keemiasse kui võimalikku tulevase praktilise tegevuse valdkonda.
Keskkonnamaterjali valik keemia õppekavadesse kaasamiseks peaks toimuma didaktika põhiprintsiipe arvestades. Peamisteks kriteeriumiteks on teaduslik iseloom, õppimiseks juurdepääsetavus, loogiline seos õppeaine sisuga, mis võimaldab pedagoogiliselt põhjendatud valikut ökoloogia keemiliste aspektide küsimustest, sisu ja meetodite väljatöötamine nende õppimiseks keemiatundides.
Millise koha on keemiaõpetus üldises keskkonnahariduse süsteemis?
Traditsiooniliselt on keemia õpetamise põhieesmärk see, et õpilane tuli tutvustada ainete maailma (nii looduslikku kui ka tehislikku), panna alus selle mitmekesisuse põhjuste mõistmisele, kujundada mitte ainult üldine arusaam ainete saamisviise ja kasutusalasid, aga ka praktilisi oskusi nendega käsitseda. Ebapiisav teave ainete bioloogilisest rollist, nende kahjulikust mõjust inimorganismile ja keskkonnale on tõstatanud järjekordse haridusliku väljakutse.
keemia õpetamine - keemia põhiteadmiste alusel süsteemsete teadmiste kujundamiseks ökoloogia keemilistest aspektidest ja keskkonnaprobleemidest. See süsteem hõlmab teadmisi eluslooduse ainetest, elu avaldumisega seotud vastastikmõjudest taime- ja loomamaailmas, organismide keemilistest suhetest üksteise ja keskkonnaga, inimtekkeliste tegurite vastastikmõjust nii inimesel. ennast ja kõike elavat
Ökoloogiliste ja keemilis-ökoloogiliste mõistete süsteem keemiaõppes hõlmab küsimusi looduses esinevate ainete ringlusest, energia muutumisest ja muundumisest biosfääris, aine keskkonda moodustavate funktsioonide ja sellest tulenevalt globaalprobleemide, ökosüsteemide integreerivate omadustega arvestamisest. , näiteks toitainete olemasolu ja nende keemiline muundumine; ökosüsteemide iseparanemine, inimtekkelised muutused ökosüsteemides; elundite keskkonnaga interaktsiooni mustrite rakendamine praktilises inimtegevuses, keskkonnakaitses; aine ja energia jäävuse seadused, materiaalse maailma ühtsus; vastuolud ühiskonna ja looduse koosmõjus, ühiskonna areng loodusvarade arvelt.
Ökoloogia ja keemia täiendavad üksteist. Termodünaamika põhimõtete juurutamine ökoloogiasse tõi kaasa tootmis-energia ökoloogia, mis uurib energiavoogude hajumise mustreid toiduahelates. Vaadates keskkonnasuhete mitmekesisust läbi anorgaanilise keemia prisma, ilmneb suur hulk nähtusi, mis on põhjustatud inimese mõjust biosfäärile ja elutule loodusele. Planeedil toimuvate lisajõgede protsesside oluliseks komponendiks on globaalne ringjoon ja transformatsioonid, mis toimuvad sellistes põhielementides nagu süsinik, lämmastik, vesinik, väävel ja fosfor…. Paljud anorgaanilised ühendid võivad ja juba mõjutavad
planeedi kliimale ja selle atmosfääri seisundile, inimeste elukoha looduskeskkonna kvaliteedile ja sellest tulenevalt ka inimeste tervisele
Anorgaanilise keemia raames pakub huvi pöörata tähelepanu mitte ainult keemiliste ainete looduslike tsüklite antropogeensetele deformatsioonidele ja keskkonnakvaliteedi kasutamisele, vaid ka lahenduste otsimisele sotsiaal-ökoloogilistele probleemidele: energia, toormaterjalid, jne. Näiteks vesinikuenergia väljavaated; hapniku ja osooni roll elu tagamisel Maal; metallid biosfääris ja inimkehas jne.
Orgaanilise keemia valdkonnaga seotud protsessid mängivad keskkonnasuhetes tohutut rolli. Orgaanilised ühendid moodustavad aluse biosfääri sellele osale, mida kutsuti "elusaineks". Inimeste kui bioloogiliste indiviidide elu määravad orgaaniliste ainete keerulised muundumised inimkehas ja ainevahetus keskkonnaga. Lõpuks on inimkonna ellujäämine tänapäeval võimatu ilma orgaaniliste asjade laialdase kasutamiseta igapäevaelus, meditsiinis, tööstuses, põllumajanduses jne.
Orgaaniliste ainete rolli mõistmine Maa kui terviku ja selle põhiosade kompleksse sotsiobiosfäärikompleksi olemasolus ja arengus on kaasaegse majandusteaduse keemilise lugemise oluline aspekt.
Ökoloogilised saavutused on aluseks mitmete meie aja pakiliste probleemide lahendamisele. Eelkõige ökoloogia abil saadud andmetega
Tervisliku eluviisi loogika: vaimsete vajaduste eelistamine materiaalsetele, hoolimine oma füüsilise tervise hoidmisest. Selline inimene saab edaspidi oma kutsetegevuses juhinduda keskkonna- ja moraalikohustuste põhimõtetest (15, lk 3).
Pöördugem gümnaasiumi keemiaõppe korraldamise probleemi juurde. Aineõpetuse ümberkujundamise ja koolinoorte keskkonnahariduse süsteemi loomise teel puutub õpetaja kokku teatud raskustega. Esiteks on ühiskonnas esile kerkinud kemofoobia, mille tõttu lapsed seda teemat algul põlgavad. Teiseks subjekti enda abstraktsus.
Peamine on enda maailmavaate muutmine (rohestamine), oma (inimliku ja professionaalse) vastutuse teadvustamine keskkonnaharitud noorema põlvkonna ettevalmistamisel. Keemia saavutustest keskkonna kaitsmisel tuleb süstemaatiliselt teavitada.
1.3. Keskkonnahariduse kirjandusallikate ülevaade.
Kaasaegses gümnaasiumis õpetatav keemiakursus ei lahenda täielikult keskkonnahariduse ja -kasvatuse probleeme. Keskkonnaküsimused on deklaratiivselt välja toodud, süvitsi ei uurita ja on vaid välja toodud. Keemiliste protsesside ja keemiliste ühendite mõju keskkonnale uurimine ei saa aga täielikult asendada nende küsimuste süstemaatilist uurimist.
Keemia on üks olulisemaid õppeaineid, mille põhjal kujuneb dialektika – materialistlikud ettekujutused meid ümbritsevast maailmast.
Praeguse programmi järgi on IX klassi lõpetajatel väga puudulik, fragmentaarne arusaam keemiast, kuna orgaanilise ja üldkeemia küsimusi õpitakse X-XI klassis. Võttes arvesse hariduse diferentseerumist keskkoolis, ei pruugi paljud õpilased keemiat üldse õppida, mis toob kaasa täieliku teadmatuse paljudes elulistes küsimustes ja muudab inimese eksistentsi tänapäevases maailmas keerulisemaks, kuna koolilõpetajad ei saa näiteks aru. , inimeste majandustegevuse kahjuliku mõju põhjused taimestikule ja loomastikule ning biosfäärile tervikuna ning muud sarnased küsimused.
Seega on vaja radikaalselt muuta keemiaprogrammi ja vastavalt ka keemiakursust tervikuna.
MGIUU loodusteaduste ja matemaatika ainete õpetamise metoodika osakonnas töötati välja uus keemiakursuste programm “Ökoloogia ja dialektika” ning selle põhjal viidi läbi eksperiment kahekümnes Moskva ja Moskva oblasti koolis. Selle eripära on see, et selle alusel saavad IX klassi lõpetajad üldise arusaama keemiateadusest tervikuna ja ka kõigist selle osadest. Algtasemel, lõpetades üheksanda klassiga, õpitakse tundma keemia rolli ja kohta tänapäeva inimese majandustegevuses, selle mõju keskkonnale ning võimalusi, kuidas ületada praktilise inimtegevuse negatiivset mõju taimestikule, loomastikule ja inimkehale. seotud keemilise tootmise kasutamisega.
Selles programmis pööratakse suurt tähelepanu keemiliste katsete püstitamisele, erinevate olulisemate keemiliste ühendite kasutamisele inimpraktikas, nende mõjule keskkonnale ja inimorganismile. Keemiliste ühendite ja keemiliste nähtuste tundmise kaudu kujuneb õpilastel eriline suhtumine inimkeskkonda,
Luuakse alus keskkonnaprobleemide õigeks mõistmiseks, ilma milleta on inimkonnal tänapäeva maailmas võimatu eksisteerida; moodustub ettekujutus erinevate protsesside, sh keemiliste, ebajärjekindluse keerukusest, mis võimaldab selle põhjal loodus- ja matemaatilises tsüklis teistelt kursustelt saadud teadmisi toetudes kujundada dialektilis-materialistliku arusaama ümbritsevast tegevusest. Samas peaks see keemiakursus lahendama ka professionaalide – keemikute, aga ka nende inimeste koolitamise probleeme, kes vajavad oma erialaste ülesannete edukaks elluviimiseks sügavaid keemiaalaseid teadmisi. Selle eesmärk on luua kindlate keemiateadmiste vundament, mille alusel saab keskkooli X - XI klassis kujundada keemia tundmise ja mõistmise kõrgema taseme. See kursus eeldab diferentseeritud õpetamise rakendamist, võttes arvesse keemiateadmiste omandamise iseärasusi nii õppematerjali alandatud haridustasemega õpilaste kui ka õpilaste puhul, kelle algne keemiamõistmise tase on üsna kõrge.
Väljatöötatud programm “Ökoloogia ja dialektika” eeldab sügavat seost bioloogia, füüsika, geograafia ja teiste koolis õpitavate erialadega, mis võimaldab õpilastel kujundada terviklikku arusaama ümbritsevast maailmast.
See programm on aga mõeldud aine süvaõppeks propedeutilise kursusega 7. klassis ja sobib ainult erialakoolidesse või -klassidesse. nimelise Moskva Riikliku Pedagoogikaülikooli spetsialistid. N Zvereva ja mitmed integreeritud kursused töötati välja: “Biosfäär ja inimene”, “Ökoloogia ja tsivilisatsioon”, ökoloogilise keemia kursus; "teemast teemasse.
Integreeritud kursuse “Biosfäär ja inimene” programm on mõeldud gümnaasiumi ja keskkooli humanitaarteaduste erialade üliõpilastele. Selline lähenemine on seda aktuaalsem, et humanitaarhariduses on viimasel ajal üha enam kaldutud vähendama loodusteaduste ja eelkõige keemia kursusi. Loodusteaduslike teadmiste lõimimine võimaldab lahendada meid ümbritseva maailma tervikliku ettekujutuse kujundamise, keemiateaduse vastu huvi tekitamise ja keemiateadmiste heal tasemel arendamise probleemi.
Selle kursuse eesmärk on rohestada õpilaste teadvust ja populariseerida õpetamist. Kursuse juhtmõtted: inimene on keskkonnaprobleemide põhjustaja ja ainult inimene saab neid lahendada; maailma terviklikkus ja mitmekesisus. Tähelepanu on suunatud looduse enda uurimisele, elukorralduse tasandite mitmekesisusele, nii orgaanilise maailma arengule kui ka inimese ja looduse vahelistele suhetele.
Kuid kursus “Biosfäär ja inimene” on väga spetsiifiline ja kuulutatakse X-XI klassis eraldi erialaainena. Siiski ei ole iga kooli õppekavas selle kursuse tutvustamiseks lisatunde.
pakkus välja ökologiseeritud kursuse “Ökoloogia ja tsivilisatsioon”, millel on selgelt interdistsiplinaarne iseloom, hõlmates keskkonnaprobleemide filosoofilis-ajaloolisi, sotsiaal-moraalseid, bioloogilisi, geograafilisi ja füüsikalis-keemilisi aspekte.
Keskkonnahariduse ja -kasvatuse raames toimub propedeutika I-VII klassis kursuste “Maailm sinu ümber” (I-II klass), “Loodusõpetus” (I-IV klass) õppimise vormis, õpilased edasi. koguda teadmisi loodusobjektide, looduse arengu teatud mustrite, inimtekkelise keskkonnamõju faktide kohta; kooliõpilasi õpetades
kov analüüs ja lihtsate olukordade modelleerimine. Praeguses etapis on kõige tõhusam viis akadeemiliste erialade roheliseks muutmine koos probleemsete valikainete, klubitöö ja kodulootööga.
VIII ja IX klassi keemia õpetamise protsessis on oluline arvestada keskkonna kaitsmise probleemidega keemilise saaste eest. Ökologiseeritud keemia kursus põhineb ideedel ainete koostise, struktuuri, omaduste ja bioloogilise funktsiooni vahelistest seostest; nende kahekordne roll eluslooduses; keemiliste elementide bioloogiline asendatavus ja selle protsessi tagajärjed organismidele; biogeokeemiliste tsüklite katkemise põhjused; keemia roll keskkonnaprobleemide lahendamisel.
Koolituse lõppjärgus (X_XI klass) jätkub keemiateadmiste täiendamine orgaanilise ja üldkeemia kursuse omandamise protsessis. Selle sisu võimaldab meil arendada ideid keemiliste seaduste avaldumise kohta looduslikes protsessides; mõista selliseid ökoloogilisi mustreid nagu tsüklilisus ja ainevahetuse järjepidevus biosfääri koostisosade vahel.
Ökoloogilise keemia kursus X klass. täiendab valikkursus “Keemia ja keskkonnakaitse”, mis hõlmab keskkonnaprobleemide keemilisi aspekte kohalikul, regionaalsel ja globaalsel tasandil. Selle kursuse lahutamatuks osaks on laboritöötuba, mille käigus korraldatakse üliõpilaste uurimistegevusi inimtekkeliste mõjude uurimiseks loodusobjektidele.
Akadeemiline distsipliin “Ökoloogia ja tsivilisatsioon” võeti kasutusele paralleelselt keemiaõppega X ja XI klassis (14, lk 43).
Tänu nende kursuste lõimimisele viiakse programme ellu mitme õppeaine piires ja mitme õpetaja poolt.
VIII – XI klassile pakuti välja keskkonnasõbraliku keemia kursuse programm: teemast teemasse. Selle põhirõhk on neil nähtustel -
Lenyad, mis põhjustavad tõsist muret looduskeskkonna seisundi ja tsivilisatsiooni tuleviku pärast: globaalne soojenemine, atmosfääri osoonikihi kahanemine, happevihmad, mürgiste raskmetallide ja pestitsiidide kogunemine pinnasesse, suurte alade saastumine radionukliididega, ammendumine planeedi loodusvaradest.
Loodus oma loomulikus arengus on dünaamilises tasakaalus;
Inimese ja looduse vastastikuse mõju vahetuks tulemuseks on muutused keskkonna komponentide keemilises koostises, mis toob kaasa loodusliku tasakaalu nihke;
Keemiaalased teadmised on lahutamatu osa teadmistest looduskaitse, loodusvarade ratsionaalse kasutamise ja keskkonna mõistliku muutmise aluste kohta inimese poolt.
Keemia roll keskkonnaprobleemide lahendamisel praeguses etapis on märkimisväärne:
A) koostise, struktuuri, omaduste uurimine, kuidas see või teine aine käitub atmosfääris, pinnases, veekeskkonnas, millist mõju avaldab see ja selle muundumisproduktid bioloogilistele teemadele;
B) Avastades biogeokeemiliste protsesside mehhanismid elementide looduslikus tsüklis, aitab keemia lahendada probleemi, mis on seotud tööstusliku tootmise kõige loomulikuma ja “valutuma” sisenemisega looduslikesse tsüklitesse, muutes selle osaks mis tahes ökosüsteemist.
C) erinevate meetodite kasutamine keskkonnaobjektide seisundi või valmistoodete kvaliteedi keemilis-analüütiliseks jälgimiseks mitmetes tööstusharudes (keemia, naftakeemia).
, mikrobioloogiline, farmaatsia), keemia võimaldab hankida teavet, mis on vajalik hilisemate otsuste tegemiseks kahjulike ainete sisenemise tõkestamiseks.
Uued ained kontrollitavatesse objektidesse, nende objektide puhastamine, nende kaitsmise meetodid jne.
Ökologiseeritud keemiakursus võimaldab paljastada selle teaduse erilise rolli võitluses keskkonnateadmatuse vastu, mis väljendub juurdunud idees keemia "süüst" praeguses keskkonnaolukorras, meelitada kooliõpilasi uurimistööle. uurida looduskeskkonna seisundit ja sisendada neisse isiklikku vastutustunnet selle säilimise eest.
Selle programmi väärtus seisneb selles, et keskkonnakontseptsioonid kõlavad igas keemia teemas, laiendades, süvendades ja süstematiseerides õpilaste teadmisi peamistest keemiaseadustest ja nende seostest keskkonnaseisundiga. Mistahes keemiaprobleemi kaalumisel saab keskkonnaaspekte esitada kas lühisõnumi, tunnis ettekande, essee kaitsmise, keskkonnaeksperimendi korraldamise või keskkonnaprobleemi lahendamisena, mis aitab keemiaseadusi omandada, kasutades konkreetseid keskkonnamõjusid. näiteid.
A (V.I. Lenini nimeline MPGU), (LGUU), Mu (MNPO "Sintez"), (MSU nimega...) on välja töötanud koolinoortele mõeldud keskkonnahariduse valikkursuste programmid: "Tervislik eluviis saastunud biosfääris", “Üldökoloogia ja keskkonnakaitse alused”, “Leningradi oblasti ökoloogilised probleemid”, “Keemiliste elementide bioloogiline roll”. Need valikained tagavad õpilaste teadmistesüsteemi (keskkonnateadlikkuse taseme) kujunemise koos keskkonnakultuuri elementidega (üliõpilaste väärtusorientatsioon teaduspõhisele keskkonnajuhtimisele). Ökoloogia põhialuste täielikumaks uurimiseks seoses keemia alustega, üldhariduslikud tsüklid, mis sisaldavad üldist keskkonda
Nende ülesannete täitmine tõstab õpimotivatsiooni taset ja hõlbustab teadmiste omandamise protsessi.
Huvide järgi eristades puutub tehnoloogia kokku kultuuriliselt haridusliku õpetamise tehnoloogiaga, mis aitab kaasa hariduse humaniseerimisele. Selle tehnoloogia osana on keskkonnakultuuri osakond: tutvumine looduse, inimkeskkonna, ainulaadse inimkultuuri hoidmise probleemidega: loodusarmastuse kasvatamine, geograafia, bioloogia ja keemia süvaõpe. Spetsiifiliste, sageli metoodiliste ja lokaalsete tehnoloogiatena saab kasutada keskkonnahariduse tehnoloogiat, T. V. Kucher jt.
Keemiaõpetuse rohelisemaks muutmiseks kasutatakse ka lapse arengut ergutavalt mõjuvaid koostöötehnoloogiaid ja rühmatehnoloogiaid. Need hõlmavad suhtlemist, suhtlemist, teabevahetust õpilaste vahel ja vastastikust mõistmist.
Õppeprotsessi aluseks on ka alternatiivsed tehnoloogiad ja arenduskasvatuse tehnoloogiad, lähtudes antroposoofia põhimõtetest, mille järgi õppimisvõime arendamine viib inimese täiuslikkuseni. Antroposoofia on R. Steineri waldorfpedagoogika aluseks. Intellektuaalsete võimete arendamine toimub tehnoloogia ja. Arengukasvatus arvestab ja kasutab arengumustrit, kohandub lapse taseme ja omadustega (3, lk 80-83: lk 109: lk 119-122: lk 1516 lk 181)
Nende tehnoloogiate kasutamine võimaldab suunata õpilase isiksust kõige ümbritseva tajumisele kui huvitatud teadlasele, kes tunneb isiklikku vastutust oma tegevuse tagajärgede eest teistele inimestele ja loodusele.
Kasutan keskkonnatundide ja õppekavaväliste tegevuste läbiviimisel keskkonnateemadel N. P. Guziki, I. N. Zakatova, NT Suravešnaja, TV Kucheri, R. Steineri, DB Elkonini ja V. V. Davõdovi fragmente ülalnimetatud tehnoloogiatest.
2.2. Keskkonnahariduse tundide läbiviimise vormid keemia õpetamisel.
Professionaalsest vaatenurgast köidavad mind mittestandardsed tundide läbiviimise ja õpilaste teadmisi arvestavad vormid, nagu kontrolltunnid, seminaritunnid, konverentsitunnid, didaktiliste, rolli- ja ärimängude kasutamine ning tetraditsiooni elemendid. Kasutan loodusteaduslike erialade vastastikku rikastavat koostoimet tervikliku suhtumise kujundamiseks loodusesse ja tervislike eluviiside standardite motiveerimiseks.
Koolihariduse keskkonnasäästlikkuse tugevdamiseks toon iga teema õppematerjalidesse sisse keskkonnateemadega arvestamise, annan sõna valves olevatele õppijaökoloogidele, et tuua välja olulisemad keskkonnaprobleemid antud teema raames, mis võimaldab keskkonnaalaste teadmiste võimalikult täielik kasutamine kujundamaks õpilastes hoolivat suhtumist loodusesse, valmisolekut selle kaitseks aktiivseteks meetmeteks.
Minu pedagoogiline kontseptsioon keemiaõpetuse rohelisemaks muutmiseks on lähedane ökoloogilisele keemiakursusele: teemast teemasse. Oma tundides kasutan keskkonnakatseid, ülesandeid või küsimusi ning praktilist keskkonnafookusega tööd.
Siirdemetallide ehituse ja omaduste uurimisel viin läbi seminartunni “D-elementide ehituslikud iseärasused ja nende mõju keskkonnale ja inimese tervisele”. Selle tunni meetod on arendavat ja harivat tüüpi seminar.
Tunni eesmärkideks on üldistada õpilaste teadmisi perioodilisuse seadusest, aatomite ehitusest, elektronide olekust aatomites; elektroonikalülituste, valemite koostamise oskuste tugevdamine, keemiliste elementide võrdlemine kemikaalide kaupa
mikrofoni aktiivsus; õpilaste tutvustamine teatud mustritega, mis määravad metallide leviku looduses, nende toksilisuse ja elusorganismide ainevahetuses osalemise osakaalu, lähtudes elementide - metallide asukohast perioodilisustabelis; d-elementidega keskkonnareostuse põhjuste avalikustamine, peamiste saasteallikate näitamine; koolinoorte oskuse arendamine metallireostuse tagajärgede prognoosimiseks ja analüüsimiseks looduskeskkonnas; tutvumine reostuse vältimise põhisuundadega.
Tunni motoks valisin sõnad: "Teadus on kasulik ainult siis, kui me aktsepteerime seda mitte ainult mõistuse, vaid ka südamega."
Seminari kava
1) D-elementide asukoht perioodilisustabelis.
2) D-elementide aatomite ehituse tunnused, nende omadused.
3) d - elemendid ja elusorganism.
4) D - elementide bioloogiline roll ja toksiline toime.
5) Metalliga keskkonnareostuse probleem ja selle lahendamise viisid.
6) d - elementide leidmine loodusest. D-elemente sisaldavad mineraalid Voroneži piirkonnas.
Tunni alguses täiendan teadmisi ning viin läbi individuaalse ja frontaalse küsitluse.
a) Individuaalne uuring.
1. Töö kaartide abil.
2. Milliseid elemente nimetatakse d-elementideks?
3. Iseloomusta d - elementide asukohta perioodilisustabelis.
4. D-elementide aatomite ehituse tunnused; energia alamtasandite täitmine elektronidega, "elektronikaku" nähtus.
b) Frontaaluuring.
1. Esitage perioodilisuse seaduse kaasaegne sõnastus.
2. Mis on elemendi seerianumbri, rühmanumbri ja perioodi füüsiline tähendus?
3. Millised kvantarvud kirjeldavad elektronide olekut aatomis?
4. Millised reeglid on aatomi ehituse graafilise diagrammi koostamise aluseks?
5. Koostage graafilised diagrammid ja kirjutage elektroonilised valemid järgmiste keemiliste elementide aatomite ehituse kohta: skandium, raud, nioobium, (elektroni "rike") (kontrollige horoskoobiga)
Teises etapis palun õpilastel täita tekstülesanne, kasutades kolme võimalust. Nad kirjutavad oma vastused fenoolftaleiiniga immutatud filtreeritud paberile, tilgutades leeliselahust enda arvates soovitud asendisse. Kui vastus on õige, ilmub paberile värviline signaal.
See võimaldab õpilaste tööd kohe hinnata.
D-elementide aatomite struktuuri eripära on tingitud valentsorbitaalide liigsest olemasolust ja puudusest.
Tänapäeval pole vaja kedagi veenda keskkonnakaitsega seotud tohututes küsimustes, mis mängivad kogu inimkonna jaoks. See probleem on keeruline ja mitmetahuline. See ei hõlma ainult puhtteaduslikke aspekte, vaid ka majanduslikke, sotsiaalseid, poliitilisi, õiguslikke ja esteetilisi aspekte.
Biosfääri hetkeseisu määravad protsessid põhinevad ainete keemilistel transformatsioonidel. Keskkonnakaitseprobleemi keemilised aspektid moodustavad kaasaegse keemia uue osa, mida nimetatakse keemiliseks ökoloogiaks. Selles suunas uuritakse biosfääris toimuvaid keemilisi protsesse, keskkonna keemilist saastumist ja selle mõju ökoloogilisele tasakaalule, iseloomustatakse peamisi keemilisi saasteaineid ja saastetaseme määramise meetodeid, töötatakse välja füüsikalisi ja keemilisi meetodeid keskkonnareostuse vastu võitlemiseks ning otsitakse uute keskkonnasõbralike energiaallikate jaoks jne.
Keskkonnakaitse probleemi olemuse mõistmine eeldab loomulikult mitmete esialgsete mõistete, määratluste, hinnangute tundmist, mille üksikasjalik uurimine peaks aitama mitte ainult probleemi olemuse sügavamale mõistmisele, vaid ka keskkonnahariduse arendamine. Planeedi geoloogilised sfäärid, samuti biosfääri struktuur ja selles toimuvad keemilised protsessid on kokku võetud diagrammil 1.
Tavaliselt eristatakse mitut geosfääri. Litosfäär on Maa väline kõva kest, mis koosneb kahest kihist: ülemisest, mille moodustavad settekivimid, sealhulgas graniidist, ja alumisest basaltist. Hüdrosfäär on kõik ookeanid ja mered (Maailma ookean), mis moodustavad 71% Maa pinnast, samuti järved ja jõed. Ookeani keskmine sügavus on 4 km, mõnes nõgudes kuni 11 km. Atmosfäär on litosfääri ja hüdrosfääri pinnast kõrgemal asuv kiht, mis ulatub 100 km kõrgusele. Atmosfääri alumist kihti (15 km) nimetatakse troposfääriks. See hõlmab õhus hõljuvat veeauru, mis liigub planeedi pinna ebaühtlaselt kuumutamisel. Troposfääri kohal ulatub stratosfäär, mille piiridele paistavad virmalised. Stratosfääris 45 km kõrgusel on osoonikiht, mis peegeldab elu hävitavat kosmilist kiirgust ja osaliselt ultraviolettkiiri. Stratosfääri kohal ulatub ionosfäär – ioniseeritud aatomitest koosnev haruldaste gaaside kiht.
Kõigi Maa sfääride seas on biosfäär eriline koht. Biosfäär on Maa geoloogiline kest koos seda asustavate elusorganismidega: mikroorganismid, taimed, loomad. See hõlmab litosfääri ülemist osa, kogu hüdrosfääri, troposfääri ja stratosfääri alumist osa (kaasa arvatud osoonikiht). Biosfääri piirid määravad elu ülemine piir, mida piirab ultraviolettkiirte intensiivne kontsentratsioon, ja alumine piir, mida piiravad maakera sisemuse kõrged temperatuurid; Ainult madalamad organismid – bakterid – jõuavad biosfääri äärmuslikesse piiridesse. Sellel on biosfääris eriline koht osooni kaitsekiht. Atmosfäär sisaldab ainult vol. % osooni, kuid see lõi Maal tingimused, mis võimaldasid elul meie planeedil tekkida ja edasi areneda.
Biosfääris toimuvad pidevad aine- ja energiatsüklid. Põhimõtteliselt osalevad ainete ringis pidevalt samad elemendid: vesinik, süsinik, lämmastik, hapnik, väävel. Eluta loodusest lähevad nad taimede koosseisu, taimedest loomadesse ja inimestesse. Nende elementide aatomid säilivad eluringis sadu miljoneid aastaid, mida kinnitab isotoopanalüüs. Neid viit elementi nimetatakse biofiilseteks (elu armastavateks) ja mitte kõiki nende isotoope, vaid ainult kergeid. Seega on kolmest vesiniku isotoobist ainult . Kolmest looduslikult esinevast hapniku isotoobist 
ainult biofiilsed ja ainult süsiniku isotoopidest.
Süsiniku roll elu tekkimisel Maal on tõesti tohutu. On alust arvata, et maakoore tekke käigus sattus osa süsinikust selle sügavatesse kihtidesse mineraalide, näiteks karbiidide kujul, teine osa aga jäi CO kujul atmosfääri kinni. Temperatuuri langusega planeedi kujunemise teatud etappides kaasnes CO interaktsioon veeauruga läbi kcal reaktsiooni, nii et selleks ajaks, kui vedel vesi Maale ilmus, pidi atmosfääri süsinik olema süsihappegaasina. . Alloleva süsinikuringe diagrammi kohaselt eraldavad taimed atmosfääri süsihappegaasi (1) ja toiduühenduste kaudu (2) siseneb süsinik loomade kehasse:
Loomade ja taimede hingamine ning nende jäänuste lagunemine suunab atmosfääri ja ookeanivette süsihappegaasina pidevalt tagasi tohutuid süsinikumassi (3, 4). Samal ajal toimub taimede (5) ja loomade (6) jäänuste osalise mineraliseerumise tõttu tsüklist süsiniku eemaldamine.
Täiendav ja võimsam süsiniku eemaldamine tsüklist on kivimite murenemise anorgaaniline protsess (7), mille käigus neis sisalduvad metallid muudetakse atmosfääri mõjul süsinikdioksiidi sooladeks, mis seejärel uhutakse välja. vesi ja kantakse jõgede kaudu ookeani, millele järgneb osaline settimine. Ligikaudsete hinnangute kohaselt seotakse atmosfäärist kivimite ilmastikumõjude tõttu aastas kuni 2 miljardit tonni süsinikku. Sellist tohutut tarbimist ei suuda kompenseerida mitmesugused vabalt toimuvad looduslikud protsessid (vulkaanipursked, gaasiallikad, äikesetormide mõju lubjakivile jne), mis viivad süsiniku vastupidise üleminekuni mineraalidelt atmosfääri (8). Seega on nii süsinikuringe anorgaaniline kui ka orgaaniline etapp suunatud atmosfääri sisalduse vähendamisele. Sellega seoses tuleb märkida, et teadlik inimtegevus mõjutab oluliselt üldist süsinikuringet ja, mõjutades sisuliselt kõiki looduslikus ringluses toimuvate protsesside suundi, kompenseerib lõpuks atmosfäärist lekke. Piisab, kui öelda, et ainuüksi kivisöe põletamise tõttu viidi aastas (meie sajandi keskel) atmosfääri tagasi üle 1 miljardi tonni süsinikku. Võttes arvesse muud tüüpi fossiilkütuste (turvas, nafta jne) tarbimist, aga ka mitmeid tööstuslikke protsesse, mis viivad eraldumiseni, võib eeldada, et see näitaja on tegelikult veelgi suurem.
Seega on inimese mõju süsiniku muundamise tsüklitele vastupidine loodusliku tsükli kogutulemusele:
Maa energiabilansi moodustavad erinevad allikad, kuid olulisemad neist on päikese- ja radioaktiivne energia. Maa evolutsiooni ajal oli radioaktiivne lagunemine intensiivne ja 3 miljardit aastat tagasi oli radioaktiivset soojust 20 korda rohkem kui praegu. Praegu ületab Maale langevate päikesekiirte soojus oluliselt radioaktiivsest lagunemisest tekkiva sisesoojuse, nii et peamiseks soojusallikaks võib nüüd pidada Päikese energiat. Päike annab meile aastas kcal soojust. Ülaltoodud diagrammi järgi peegeldub Maa päikeseenergiast 40% kosmosesse, 60% neeldub atmosfäär ja pinnas. Osa sellest energiast kulub fotosünteesile, osa läheb orgaaniliste ainete oksüdatsioonile ning osa säilib kivisöes, naftas ja turbas. Päikeseenergia ergastab suures plaanis klimaatilisi, geoloogilisi ja bioloogilisi protsesse Maal. Biosfääri mõjul muundub päikeseenergia erinevateks energiavormideks, põhjustades tohutuid transformatsioone, migratsioone ja ainete ringlust. Vaatamata oma suursugususele on biosfäär avatud süsteem, kuna see saab pidevalt päikeseenergia voogu.
Fotosüntees hõlmab erineva iseloomuga reaktsioonide kompleksi. Selles protsessis toimuvad sidemed molekulides ja paigutatakse ümber nii, et seniste süsinik-hapnik ja vesinik-hapnik sidemete asemel tekivad uut tüüpi keemilised sidemed: süsinik-vesinik ja süsinik-süsinik:
Nende transformatsioonide tulemusena tekib süsivesikute molekul, mis on rakus energiakontsentraat. Seega keemilises mõttes seisneb fotosünteesi olemus keemiliste sidemete ümberkorraldamises. Sellest vaatenurgast võib fotosünteesi nimetada orgaaniliste ühendite sünteesi protsessiks, kasutades valgusenergiat. Fotosünteesi üldvõrrand näitab, et lisaks süsivesikutele toodetakse ka hapnikku:
kuid see võrrand ei anna aimu selle mehhanismist. Fotosüntees on keeruline, mitmeetapiline protsess, milles biokeemilisest vaatepunktist on keskne roll klorofüllil, rohelisel orgaanilisel ainel, mis neelab kvanti päikeseenergiat. Fotosünteesi protsesside mehhanismi saab kujutada järgmise diagrammiga:
Nagu diagrammil näha, põhjustab fotosünteesi valgusfaasis "ergastatud" elektronide liigne energia protsess: fotolüüs - molekulaarse hapniku ja aatomi vesiniku moodustumisega:
ja adenosiintrifosforhappe (ATP) süntees adenosiindifosforhappest (ADP) ja fosforhappest (P). Pimedas faasis toimub süsivesikute süntees, mille teostamiseks kulub ATP ja vesinikuaatomite energia, mis tekivad valgusfaasis Päikeselt valguse energia muundamise tulemusena. Fotosünteesi üldine tootlikkus on tohutu: igal aastal seob Maa taimestik 170 miljardit tonni süsinikku. Lisaks kaasavad taimed sünteesi miljardeid tonne fosforit, väävlit ja muid elemente, mille tulemusena sünteesitakse aastas umbes 400 miljardit tonni orgaanilisi aineid. Sellegipoolest on loomulik fotosüntees kogu oma suurejoonelisusest hoolimata aeglane ja ebaefektiivne protsess, kuna roheline leht kasutab fotosünteesiks vaid 1% sellele langevast päikeseenergiast.
Nagu ülalpool märgitud, moodustub süsihappegaasi neeldumise ja selle edasise muundumise tulemusena fotosünteesi käigus süsivesikute molekul, mis toimib süsiniku skeletina kõigi rakus olevate orgaaniliste ühendite ehitamisel. Fotosünteesi käigus tekkivaid orgaanilisi aineid iseloomustab kõrge sisemise energiaga varustamine. Kuid fotosünteesi lõppsaadustesse kogunenud energiat ei saa otseselt kasutada elusorganismides toimuvates keemilistes reaktsioonides. Selle potentsiaalse energia muundamine aktiivseks vormiks toimub teises biokeemilises protsessis - hingamises. Hingamisprotsessi peamine keemiline reaktsioon on hapniku imendumine ja süsinikdioksiidi vabanemine:
Hingamisprotsess on aga väga keeruline. See hõlmab orgaanilise substraadi vesinikuaatomite aktiveerimist, energia vabastamist ja mobiliseerimist ATP kujul ning süsiniku skelettide teket. Hingamisprotsessi käigus loobuvad süsivesikud, rasvad ja valgud bioloogilise oksüdatsiooni ja orgaanilise skeleti järkjärgulise ümberstruktureerimise reaktsioonides oma vesinikuaatomitest, moodustades redutseeritud vorme. Viimased vabastavad hingamisahelas oksüdeerides energiat, mis akumuleerub aktiivsel kujul ATP sünteesi seotud reaktsioonides. Seega on fotosüntees ja hingamine üldise energiavahetuse erinevad, kuid väga tihedalt seotud aspektid. Roheliste taimede rakkudes on fotosünteesi ja hingamise protsessid omavahel tihedalt seotud. Hingamisprotsess neis, nagu ka kõigis teistes elusrakkudes, on pidev. Päeval toimub neis koos hingamisega fotosüntees: taimerakud muudavad valgusenergia keemiliseks energiaks, sünteesides orgaanilist ainet ja vabastades reaktsiooni kõrvalproduktina hapnikku. Taimeraku poolt fotosünteesi käigus vabaneva hapniku hulk on 20-30 korda suurem kui selle neeldumine samaaegse hingamisprotsessi käigus. Seega päeval, mil taimedes toimuvad mõlemad protsessid, rikastub õhk hapnikuga ja öösel, kui fotosüntees peatub, säilib vaid hingamisprotsess.
Hingamiseks vajalik hapnik siseneb inimkehasse kopsude kaudu, mille õhukesed ja niisked seinad on suure pindalaga (umbes 90) ning läbistavad veresooned. Nendesse sattudes moodustub hapnik punastes verelibledes sisalduva hemoglobiiniga - erütrotsüüdid - habras keemiline ühend - oksühemoglobiin ja kantakse sellisel kujul punase arteriaalse verega kõigisse keha kudedesse. Nendes eraldatakse hapnik hemoglobiinist ja osaleb erinevates ainevahetusprotsessides, eriti oksüdeerib see orgaanilisi aineid, mis sisenevad kehasse toidu kujul. Kudedes ühineb süsinikdioksiid hemoglobiiniga, moodustades hapra ühendi - karbhemoglobiini. Sellisel kujul ja osaliselt ka süsihappe soolade kujul ja füüsiliselt lahustunud kujul siseneb süsihappegaas tumeda venoosse vere vooluga kopsudesse, kus see eritub kehast. Skemaatiliselt võib seda gaasivahetusprotsessi inimkehas kujutada järgmiste reaktsioonidega:
Tavaliselt sisaldab inimese sissehingatav õhk 21% (mahu järgi) ja 0,03% ning väljahingatav õhk 16% ja 4%; päevas hingab inimene välja 0,5. Sarnaselt hapnikuga reageerib süsinikmonooksiid (CO) hemoglobiiniga ja tulemuseks on heem. CO on palju vastupidavam. Seetõttu seostub märkimisväärne osa hemoglobiinist sellega isegi madala CO kontsentratsiooni korral sellega ja lakkab osalemast hapniku ülekandes. Kui õhk sisaldab 0,1% CO (mahu järgi), s.o. vahekorras CO ja 1:200 seob hemoglobiiniga võrdses koguses mõlemat gaasi. Seetõttu võib süsinikmonooksiidiga mürgitatud õhu sissehingamisel tekkida lämbumissurm, hoolimata liigse hapniku olemasolust.
Käärimine kui suhkrurikaste ainete lagunemisprotsess eriliste mikroorganismide juuresolekul toimub looduses nii sageli, et alkohol, kuigi ebaolulistes kogustes, on mullavee pidev komponent ja selle aurud sisalduvad alati väikestes kogustes. õhus. Lihtsaima kääritamisskeemi saab esitada võrrandiga:
Kuigi käärimisprotsesside mehhanism on keeruline, võib siiski väita, et fosforhappe derivaadid (ATP) ja ka mitmed ensüümid mängivad selles äärmiselt olulist rolli.
Mädanemine on keerukas biokeemiline protsess, mille tulemusena väljaheited, laibad ja taimejäänused viivad mulda tagasi sealt varem võetud seotud lämmastiku. Spetsiaalsete bakterite mõjul muutub see seotud lämmastik lõpuks ammoniaagiks ja ammooniumisooladeks. Lisaks muutub lagunemise käigus osa seotud lämmastikust vabaks lämmastikuks ja läheb kaotsi.
Nagu ülaltoodud diagrammist nähtub, on osa meie planeedil neelavast päikeseenergiast "säilitatud" turba, nafta ja kivisöe kujul. Maakoore võimsad nihked matsid kivide kihtide alla tohutuid taimemassi. Kui surnud taimeorganismid lagunevad ilma õhu juurdepääsuta, eralduvad lenduvad laguproduktid ja jääk rikastub järk-järgult süsinikuga. Sellel on vastav mõju lagunemissaaduse keemilisele koostisele ja kütteväärtusele, mida olenevalt selle omadustest nimetatakse turbaks, pruuniks ja kivisöeks (antratsiit). Nagu taim, jättis ka möödunud ajastute loomastik meile väärtusliku pärandi – õli. Kaasaegsed ookeanid ja mered sisaldavad tohutuid lihtsate organismide kogumeid vee ülemistes kihtides kuni 200 m sügavuseni (plankton) ja mitte väga sügavate kohtade põhjaosas (bentos). Planktoni ja bentose kogumassi hinnatakse tohutuks (~ t). Kõigi keerukamate mereorganismide toitumise alusena ei kogune plankton ja bentos praegu tõenäoliselt jäänustena. Kuid kaugetel geoloogilistel ajajärkudel, kui tingimused nende arenguks olid soodsamad ja tarbijaid palju vähem kui praegu, surid planktoni ja bentose jäänused, aga ka võib-olla ka paremini organiseeritud loomad, kes surid massiliselt ühe aasta jooksul. või muul põhjusel, võib sellest saada õli moodustumise peamine ehitusmaterjal. Toornafta on vees lahustumatu, must või pruun õline vedelik. See koosneb 83-87% süsinikust, 10-14% vesinikust ja vähesel määral lämmastikust, hapnikust ja väävlist. Selle kütteväärtus on kõrgem kui antratsiidil ja on hinnanguliselt 11 000 kcal/kg.
Biomassi all mõistetakse kõigi biosfääri elusorganismide kogumit, s.o. orgaanilise aine hulk ja selles sisalduv energia kogu isendite populatsioonis. Biomassi väljendatakse tavaliselt massiühikutes kuivaine pinna- või mahuühiku kohta. Biomassi kogunemise määrab roheliste taimede elutegevus. Biogeotsenoosides täidavad nad elusaine tootjatena "tootjate" rolli, taimtoidulised ja lihasööjad loomad elusorgaanilise aine tarbijatena on "tarbijad" ja orgaaniliste jääkide (mikroorganismide) hävitajad, tuues kaasa orgaanilise aine lagunemine lihtsateks mineraalseteks ühenditeks on "lagundajad". Biomassi eriline energiaomadus on selle taastootmisvõime. Vastavalt V.I määratlusele. Vernadski sõnul levib elusaine (organismide kogum) nagu gaasimass üle maapinna ja avaldab keskkonda teatud survet, möödub takistustest, mis takistavad selle edenemist, või võtab need enda valdusesse, kattes neid. saavutatakse organismide paljunemise kaudu. Maapinnal suureneb biomass poolustelt ekvaatori poole. Samas suunas kasvab ka biogeocenoosides osalevate liikide arv (vt allpool). Mulla biotsenoosid katavad kogu maapinna.
Muld on maakoore lahtine pinnakiht, mida atmosfäär ja organismid muudavad ning täieneb pidevalt orgaaniliste jääkainetega. Mulla paksus koos pinnase biomassiga ja selle mõjul suureneb poolustelt ekvaatorini. Pinnas on tihedalt asustatud elusorganismidega ja selles toimub pidev gaasivahetus. Öösel, kui gaasid jahtuvad ja suruvad kokku, siseneb sellesse osa õhku. Loomad ja taimed omastavad õhust hapnikku ning see on osa keemilistest ühenditest. Õhku sattunud lämmastikku püüavad kinni mõned bakterid. Päeval, kui pinnas soojeneb, eraldub sellest ammoniaaki, vesiniksulfiidi ja süsihappegaasi. Kõik pinnases toimuvad protsessid on kaasatud biosfääri ainete tsüklisse.
Maa hüdrosfäär, ehk Maailma ookean, võtab enda alla rohkem kui 2/3 planeedi pinnast. Ookeanivee füüsikalised omadused ja keemiline koostis on väga püsivad ja loovad eluks soodsa keskkonna. Veeloomad eritavad seda hingamise kaudu ja vetikad rikastavad vett fotosünteesi teel. Vetikate fotosüntees toimub peamiselt ülemises veekihis – sügavusel kuni 100 m.Ookeani plankton moodustab 1/3 kogu planeedil toimuvast fotosünteesist. Ookeanis on biomass enamasti hajutatud. Keskmiselt on biomass Maal tänapäevastel andmetel ligikaudu t, roheliste maa taimede mass on 97%, loomade ja mikroorganismide mass 3%. Maailma ookeanis on 1000 korda vähem elusat biomassi kui maismaal. Päikeseenergia kasutamine ookeani piirkonnas on 0,04%, maismaal - 0,1%. Ookean pole elu poolest nii rikas, kui hiljuti arvati.
Inimkond moodustab vaid väikese osa biosfääri biomassist. Olles valdanud erinevaid energiavorme - mehaanilist, elektrilist, aatomit - hakkas see aga tohutult mõjutama biosfääris toimuvaid protsesse. Inimtegevusest on saanud nii võimas jõud, et see jõud on muutunud võrreldavaks loodusjõududega. Inimtegevuse tulemuste ja selle tegevuse mõju biosfäärile tervikuna analüüs viis akadeemik V.I. Vernadsky jõudis järeldusele, et praegu on inimkond loonud Maa uue kesta - "intelligentse". Vernadski nimetas seda "noosfääriks". Noosfäär on "inimese kollektiivne mõistus, mis on koondunud nii oma potentsiaalsete võimete kui ka biosfääri kineetiliste mõjude poolest. Need mõjud olid aga läbi sajandite spontaansed ja mõnikord ka röövloomad ning sellise mõju tagajärjeks oli keskkonnaohtlikkus. reostus koos kõigi sellest tulenevate tagajärgedega."
Keskkonnakaitse probleemiga seotud küsimuste käsitlemine nõuab mõiste selgitamist " keskkond"See termin tähendab kogu meie planeeti pluss õhukest elukest – biosfääri, pluss meid ümbritsevat ja meid mõjutavat ilmaruumi. Lihtsuse mõttes tähendab keskkond aga sageli ainult biosfääri ja osa meie planeedist – maakoort. V. I. Vernadski sõnul on biosfäär "elusaine olemasolu piirkond". Elusaine on kõigi elusorganismide, sealhulgas inimeste, tervik.
Ökoloogia kui teadus, mis käsitleb organismide omavahelisi suhteid, aga ka organismide ja nende keskkonna vahelisi suhteid, pöörab erilist tähelepanu nende komplekssete süsteemide (ökosüsteemide) uurimisele, mis tekivad looduses organismide omavahelise vastasmõju alusel. ja anorgaaniline keskkond. Seega on ökosüsteem looduse elusate ja elutute komponentide kogum, mis interakteeruvad. See kontseptsioon kehtib erineva ulatusega üksuste kohta - alates sipelgapesast (mikroökosüsteem) kuni ookeanini (makroökosüsteem). Biosfäär ise on maakera hiiglaslik ökosüsteem.
Seosed ökosüsteemi komponentide vahel tekivad eelkõige toiduseoste ja energia saamise meetodite alusel. Toitematerjalide ja energia hankimise ja kasutamise meetodi järgi jagunevad kõik biosfääri organismid kahte järsult erinevasse rühma: autotroofid ja heterotroofid. Autotroofid on võimelised sünteesima orgaanilisi aineid anorgaanilistest ühenditest (jne). Nendest energiavaestest ühenditest sünteesivad rakud glükoosi, aminohappeid ja seejärel keerulisemaid orgaanilisi ühendeid – süsivesikuid, valke jne. Peamised autotroofid Maal on roheliste taimede rakud, aga ka mõned mikroorganismid. Heterotroofid ei ole võimelised anorgaanilistest ühenditest orgaanilisi aineid sünteesima. Nad vajavad valmis orgaaniliste ühendite tarnimist. Heterotroofid on loomade, inimeste, enamiku mikroorganismide ja mõnede taimede rakud (näiteks seened ja rohelised taimed, mis ei sisalda klorofülli). Söötmise käigus lagundavad heterotroofid lõpuks orgaanilise aine süsihappegaasiks, veeks ja mineraalsooladeks, s.o. autotroofide poolt taaskasutamiseks sobivad ained.
Seega toimub looduses pidev ainete ringkäik: eluks vajalikud keemilised ained ekstraheeritakse autotroofide abil keskkonnast ja viiakse heterotroofide jada kaudu uuesti sinna tagasi. Selle protsessi läbiviimiseks on vaja pidevat energiavoogu väljastpoolt. Selle allikaks on Päikese kiirgusenergia. Organismide tegevusest tingitud aine liikumine toimub tsükliliselt ja seda saab ikka ja jälle kasutada, kusjuures energiat nendes protsessides esindab ühesuunaline vool. Päikese energia muudetakse ainult organismide poolt muudeks vormideks – keemiliseks, mehaaniliseks, termiliseks. Vastavalt termodünaamika seadustele kaasneb selliste transformatsioonidega alati osa energia hajumine soojuse kujul. Kuigi ainete ringi üldine skeem on suhteliselt lihtne, võtab see protsess reaalsetes looduslikes tingimustes väga keerukaid vorme. Mitte ükski heterotroofse organismi tüüp ei ole võimeline taimede orgaanilist ainet koheselt lõplikeks mineraalsaadusteks (jne) lagundama. Iga liik kasutab ainult osa orgaanilises aines sisalduvast energiast, viies selle lagunemise teatud faasi. Antud liigile sobimatuid, kuid siiski energiarikkaid jääke kasutavad teised organismid. Seega on evolutsiooni käigus ökosüsteemis moodustunud omavahel seotud liikide ahelad, mis eraldavad järjestikku materjale ja energiat algsest toiduainest. Kõik toiduahela moodustavad liigid eksisteerivad roheliste taimede tekitatud orgaanilisel ainel.
Kokku muundub taimedele langevast Päikese kiirgusenergiast vaid 1% sünteesitud orgaaniliste ainete energiaks, mida saavad kasutada heterotroofsed organismid. Suurem osa taimsetes toiduainetes sisalduvast energiast kulub loomakehas erinevatele elutähtsatele protsessidele ning soojuseks muutudes hajub. Pealegi läheb vaid 10-20% sellest toiduenergiast otse uue aine ehitamiseks. Suured kasuliku energia kaod määravad ette selle, et toiduahelad koosnevad väikesest arvust lülidest (3-5). Teisisõnu, energiakao tulemusena väheneb järsult toodetava orgaanilise aine hulk igal järgneval toiduahela tasandil. Seda olulist mustrit nimetatakse ökoloogilise püramiidi reegel ja diagrammil on see kujutatud püramiidina, milles iga järgmine tase vastab püramiidi põhjaga paralleelsele tasapinnale. Ökoloogilisi püramiide on erinevaid kategooriaid: arvude püramiid - peegeldab isendite arvu toiduahela igal tasandil, biomassi püramiid - peegeldab vastavat orgaanilise aine kogust, energia püramiid - peegeldab energia hulka toit.
Iga ökosüsteem koosneb kahest komponendist. Üks neist on orgaaniline, esindades liikide kompleksi, mis moodustavad isemajandava süsteemi, milles toimub ainete ringlus, mida nimetatakse biotsenoosiks, teine on anorgaaniline komponent, mis annab peavarju biotsenoosile ja mida nimetatakse biotoniks:
Ökosüsteem = bioton + biotsenoos.
Teised ökosüsteemid, samuti geoloogilised, klimaatilised ja kosmilised mõjud antud ökoloogilise süsteemi suhtes toimivad välisjõududena. Ökosüsteemi jätkusuutlikkus on alati seotud selle arenguga. Kaasaegsete vaadete kohaselt on ökosüsteemil kalduvus areneda oma stabiilse seisundi – küpse ökosüsteemi – poole. Seda muutust nimetatakse järgluseks. Sutsessiooni algusjärgus iseloomustab vähene liigirikkus ja madal biomass. Arengu algfaasis olev ökosüsteem on häirete suhtes väga tundlik ja tugev mõju põhienergiavoolule võib selle hävitada. Küpsetes ökosüsteemides kasvab taimestik ja loomastik. Sellisel juhul ei saa ühe komponendi kahjustus avaldada tugevat mõju kogu ökosüsteemile. Seega on küpsel ökosüsteemil kõrge jätkusuutlikkuse tase.
Nagu eespool märgitud, toimivad geoloogilised, klimaatilised, hüdrogeoloogilised ja kosmilised mõjud antud ökoloogilise süsteemi suhtes välisjõududena. Ökosüsteeme mõjutavate välisjõudude hulgas on inimmõjul eriline koht. Looduslike ökosüsteemide ehituse, toimimise ja arengu bioloogilised seadused on seotud ainult nende organismidega, mis on nende vajalikud komponendid. Sellega seoses ei kuulu inimene nii sotsiaalselt (isiksus) kui ka bioloogiliselt (organism) looduslikesse ökosüsteemidesse. See tuleneb vähemalt sellest, et iga looduslik ökosüsteem saab oma tekkes ja arengus hakkama ilma inimesteta. Inimene ei ole selle süsteemi vajalik element. Lisaks sellele määravad organismide tekke ja olemasolu ainult ökosüsteemi üldised seadused, samas kui inimene on ühiskonna poolt genereeritud ja ühiskonnas olemas. Inimene kui indiviid ja kui bioloogiline olend on erilise süsteemi komponent - inimühiskond, millel on ajalooliselt muutunud majandusseadused toidu jaotamiseks ja muud eksisteerimise tingimused. Samal ajal saab inimene eluks vajalikke elemente, nagu õhk ja vesi, väljastpoolt, kuna inimühiskond on avatud süsteem, millesse energia ja aine tulevad väljastpoolt. Seega on inimene “väline element” ega saa luua püsivaid bioloogilisi sidemeid looduslike ökosüsteemide elementidega. Teisest küljest on inimesel välisjõuna suur mõju ökosüsteemidele. Sellega seoses on vaja välja tuua kahte tüüpi ökosüsteemide olemasolu: looduslik (looduslik) ja tehislik. Areng (järgimine) looduslikud ökosüsteemid järgib evolutsiooniseadusi või kosmiliste mõjude seadusi (püsivus või katastroofid). Kunstlikud ökosüsteemid- need on elusorganismide ja taimede kogumid, mis elavad tingimustes, mille inimene lõi oma töö ja mõttega. Inimmõju jõud loodusele avaldub just tehisökosüsteemides, mis tänapäeval katavad suurema osa Maa biosfäärist.
Inimese ökoloogiline sekkumine on ilmselgelt alati toimunud. Kogu varasemat inimtegevust võib käsitleda protsessina, mille käigus allutatakse paljud või isegi kõik ökoloogilised süsteemid, kõik biotsenoosid inimese vajadustele. Inimese sekkumine ei saanud muud kui mõjutada ökoloogilist tasakaalu. Isegi iidne inimene rikkus metsade põletamisega ökoloogilise tasakaalu, kuid tegi seda aeglaselt ja suhteliselt väikeses mahus. Selline sekkumine oli oma olemuselt rohkem lokaalne ega põhjustanud globaalseid tagajärgi. Ehk siis tolleaegne inimtegevus toimus tasakaalulähedastes tingimustes. Nüüd on aga inimese mõju loodusele teaduse, tehnoloogia ja tehnika arengu tõttu võtnud sellise mastaabi, et ökoloogilise tasakaalu rikkumine on muutunud ähvardavaks globaalses mastaabis. Kui inimmõju protsess ökosüsteemidele ei oleks spontaanne ja mõnikord isegi röövellik, poleks keskkonnakriisi küsimus nii terav. Vahepeal on inimtegevus tänapäeval muutunud niivõrd võrdväärseks võimsate loodusjõududega, et loodus ise ei suuda enam kogetavate koormustega toime tulla.
Seega on keskkonnakaitse probleemi põhiolemus selles, et inimkond on tänu oma töötegevusele muutunud nii võimsaks loodust kujundavaks jõuks, et selle mõju hakkas avalduma palju kiiremini kui biosfääri loomuliku evolutsiooni mõju.
Kuigi mõiste “keskkonnakaitse” on tänapäeval väga levinud, ei kajasta see siiski rangelt asja olemust. Füsioloog I.M. Sechenov juhtis kord tähelepanu sellele, et elusorganism ei saa eksisteerida ilma keskkonnaga suhtlemiseta. Sellest vaatenurgast tundub mõiste "keskkonnajuhtimine" olevat rangem. Üldiselt seisneb keskkonna ratsionaalse kasutamise probleem biosfääri normaalset toimimist tagavate mehhanismide otsimises.
KONTROLLKÜSIMUSED
1. Defineerige mõiste "keskkond".
2. Mis on keskkonnakaitse probleemi põhiolemus?
3. Loetlege keskkonnaprobleemi erinevad aspektid.
4. Defineerige mõiste "keemiline ökoloogia".
5. Loetlege meie planeedi peamised geosfäärid.
6. Märkige tegurid, mis määravad biosfääri ülemise ja alumise piiri.
7. Loetlege biofiilsed elemendid.
8. Kommentaar inimtegevuse mõju kohta süsiniku muundamise looduslikule tsüklile.
9. Mida oskate öelda fotosünteesi mehhanismi kohta?
10. Esitage hingamisprotsessi skeem.
11. Esitage käärimisprotsesside skeem.
12. Defineeri mõisted “tootja”, “tarbija”, “lagundaja”.
13. Mis vahe on “autotroofidel” ja “heterotroofidel”?
14. Defineerige mõiste "noosfäär".
15. Mis on "ökoloogilise püramiidi" reegli olemus?
16. Defineerige mõisted "biotoon" ja "biotsenoos".
17. Defineerige mõiste "ökosüsteem".
Mikroelemendid ja ensüümid. Sissejuhatus metalloensüümidesse. Spetsiifilised ja mittespetsiifilised ensüümid. Metalliioonide roll ensüümides. Horisontaalne sarnasus d-elementide bioloogilises toimes.Elementide sünergism ja antagonism.
D-elemendi ioonide kalduvus hüdrolüüsile ja polümerisatsioonile
Happelises keskkonnas on d-elemendi ioonid hüdraatunud ioonide kujul [M(H 2 O) m ] n+. pH tõustes avaldavad paljude d-elementide hüdraatunud ioonid oma suure laengu ja väikese iooni suuruse tõttu veemolekule kõrge polariseeriva toimega, hüdroksiidioonide vastuvõtmisvõimega, läbivad katioonset hüdrolüüsi ja moodustavad tugevaid kovalentseid sidemeid OH-ga. Protsess lõpeb kas aluseliste soolade [M(OH) m ] (m-n)+ või lahustumatute hüdroksiidide M(OH) n või hüdroksokomplekside [M(OH) m ] (n-m)- moodustumisega. Hüdrolüütilise interaktsiooni protsess võib toimuda polümerisatsioonireaktsiooni tulemusena mitmetuumaliste komplekside moodustumisega.
2. 4. D-elementide (siirdeelementide) bioloogiline roll
Elemendid, mille sisaldus ei ületa 10-3%, on osa ensüümidest, hormoonidest, vitamiinidest ja muudest elutähtsatest ühenditest. Valkude, süsivesikute ja rasvade ainevahetuseks on vaja: Fe, Co, Mn, Zn, Mo, V, B, W; Valkude sünteesis osalevad: Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, Cr, vereloomes – Co, Ti, Cu, Mn, Ni, Zn; hingeõhus - Mg, Fe, Cu, Zn, Mn ja Co. Seetõttu on mikroelemendid leidnud laialdast kasutust meditsiinis, põllukultuuride mikroväetisena ning väetisena looma-, linnu- ja kalakasvatuses. Mikroelemendid on osa paljudest elussüsteemide bioregulaatoritest, mis põhinevad biokompleksidel. Ensüümid on spetsiaalsed valgud, mis toimivad bioloogilistes süsteemides katalüsaatoritena. Ensüümid on ainulaadsed katalüsaatorid, millel on ületamatu efektiivsus ja kõrge selektiivsus. Näide vesinikperoksiidi 2H 2 O 2 ® 2H 2 O + O 2 lagunemisreaktsiooni efektiivsusest ensüümide juuresolekul on toodud tabelis 6.
Tabel 6. Aktiveerimisenergia (E o) ja H 2 O 2 lagunemisreaktsiooni suhteline kiirus erinevate katalüsaatorite puudumisel ja juuresolekul
Praegu on teada rohkem kui 2000 ensüümi, millest paljud katalüüsivad ühte reaktsiooni. Suure rühma ensüümide aktiivsus ilmneb ainult teatud mittevalguliste ühendite, mida nimetatakse kofaktoriteks, juuresolekul. Metalliioonid või orgaanilised ühendid toimivad kofaktoritena. Umbes kolmandiku ensüümidest aktiveerivad siirdemetallid.
Ensüümide metalliioonid täidavad mitmeid funktsioone: nad on ensüümi aktiivse tsentri elektrofiilne rühm ja hõlbustavad interaktsiooni substraadimolekulide negatiivselt laetud piirkondadega, moodustavad ensüümi struktuuri katalüütiliselt aktiivse konformatsiooni (spiraalse struktuuri moodustamisel). RNA-st osalevad tsingi- ja mangaaniioonid), osalevad elektronide transpordis (komplekseerib elektronide ülekande). Metalliiooni võime täita oma rolli vastava ensüümi aktiivses kohas sõltub metalliiooni võimest moodustada komplekse, moodustunud kompleksi geomeetriast ja stabiilsusest. See suurendab ensüümi selektiivsust substraatide suhtes, aktiveerib sidemeid ensüümis või substraadis koordineerimise kaudu ja muudab substraadi kuju vastavalt aktiivse saidi steerilistele nõuetele.
Biokomplekside stabiilsus on erinev. Mõned neist on nii tugevad, et on pidevalt kehas ja täidavad teatud funktsiooni. Juhtudel, kui seos kofaktori ja ensüümvalgu vahel on tugev ja neid on raske eraldada, nimetatakse seda “proteesirühmaks”. Selliseid sidemeid on leitud ensüümides, mis sisaldavad heemi kompleksi rauast porfiini derivaadiga. Metallide roll sellistes kompleksides on väga spetsiifiline: selle asendamine isegi omadustelt sarnase elemendiga viib füsioloogilise aktiivsuse olulise või täieliku kadumiseni. Nende ensüümide hulka kuuluvad spetsiifilistele ensüümidele.
Sellisteks ühenditeks on näiteks klorofüll, polüfenüüloksidaas, vitamiin B12, hemoglobiin ja mõned metalloensüümid (spetsiifilised ensüümid). Vähesed ensüümid osalevad ainult ühes konkreetses või üksikus reaktsioonis.
Enamiku ensüümide katalüütilised omadused on määratud erinevate mikroelementide poolt moodustatud aktiivne keskus. Ensüüme sünteesitakse funktsiooni kestuse jooksul. Metalliioon toimib aktivaatorina ja selle saab asendada teise metalliiooniga ilma ensüümi füsioloogilise aktiivsuse kadumiseta. Need on klassifitseeritud kui mittespetsiifilised ensüümid.
Allpool on toodud ensüümid, milles erinevad metalliioonid täidavad sarnaseid funktsioone.
Tabel 7. Ensüümid, milles erinevad metalliioonid täidavad sarnaseid funktsioone
Üks mikroelement võib aktiveerida erinevaid ensüüme ja ühte ensüümi võivad aktiveerida erinevad mikroelemendid. Ensüümid, mille mikroelemendid on samas oksüdatsiooniastmes +2, on bioloogiliselt kõige enam sarnased. Nagu näha, iseloomustab siirdeelementide mikroelemente nende bioloogilises toimes D.I perioodilises süsteemis rohkem horisontaalset kui vertikaalset sarnasust. Mendelejev (Ti-Zn seerias).Konkreetse mikroelemendi kasutamise üle otsustamisel tuleb arvestada mitte ainult selle elemendi liikuvate vormide olemasoluga, vaid ka teistega, millel on sama oksüdatsiooniaste ja mis võivad asendada. üksteist ensüümide koostises.
Mõned metalloensüümid hõivavad vahepealse positsiooni spetsiifiliste ja mittespetsiifiliste ensüümide vahel. Metalliioonid toimivad kofaktorina. Ensüümi biokompleksi tugevuse suurendamine suurendab selle bioloogilise toime spetsiifilisust. Ensüümi metalliiooni ensümaatilise toime efektiivsust mõjutab selle oksüdatsiooniaste. Vastavalt nende mõju intensiivsusele on mikroelemendid paigutatud järgmisele reale:
Ti 4+ ®Fe 3+ ®Cu 2+ ®Fe 2+ ®Mg 2+ ®Mn 2+. Mn 3+ ioon on erinevalt Mn 2+ ioonist väga tihedalt seotud valkudega ja peamiselt hapnikku sisaldavate rühmadega, koos on Fe 3+ metalloproteiinide osa.
Kompleksonaadi kujul olevad mikroelemendid toimivad organismis tegurina, mis ilmselt määrab rakkude kõrge tundlikkuse mikroelementide suhtes läbi nende osalemise kõrge kontsentratsioonigradiendi loomises. Aatomite ja ioonide raadiuse väärtused, ionisatsioonienergiad, koordinatsiooniarvud ja kalduvus moodustada sidemeid samade elementidega bioligandi molekulides määravad ioonide vastastikusel asendamisel täheldatud mõjud: võib ilmneda suurenedes. (sünergia) ja nende bioloogilise aktiivsuse pärssimisega (antagonism) elementi vahetatakse. D-elementide ioonidel oksüdatsiooniastmes +2 (Mn, Fe, Co, Ni, Zn) on sarnased aatomite füüsikalis-keemilised omadused (välistasandi elektrooniline struktuur, sarnased iooniraadiused, orbitaalse hübridisatsiooni tüüp, sarnased aatomite väärtused). stabiilsuskonstandid bioligandidega). Kompleksimoodustaja füüsikalis-keemiliste omaduste sarnasus määrab nende bioloogilise toime sarnasuse ja vahetatavuse. Ülaltoodud üleminekuelemendid stimuleerivad hematopoeetilisi protsesse ja võimendavad ainevahetusprotsesse. Elementide sünergism hematopoeesi protsessides on tõenäoliselt seotud nende elementide ioonide osalemisega inimvere moodustunud elementide sünteesi protsessi erinevates etappides.
I rühma s-elemente iseloomustab võrreldes nende perioodi teiste elementidega väike aatomituumade laeng, valentselektronide madal ionisatsioonipotentsiaal, suur aatomi suurus ja selle suurenemine rühmas ülalt alla. Kõik see määrab nende ioonide oleku vesilahustes hüdraatunud ioonide kujul. Liitiumi ja naatriumi suurim sarnasus määrab nende asendatavuse ja sünergilise toime. Kaaliumi-, rubiidiumi- ja tseesiumioonide vesilahuste destruktiivsed omadused tagavad nende parema membraani läbilaskvuse, vahetatavuse ja toime sünergilisuse. K + kontsentratsioon rakkude sees on 35 korda kõrgem kui väljaspool seda ja Na + kontsentratsioon rakuvälises vedelikus on 15 korda kõrgem kui raku sees. Need ioonid on bioloogilistes süsteemides antagonistid. s – II rühma elemente leidub organismis fosfor-, süsi- ja karboksüülhapete poolt moodustatud ühendite kujul. Peamiselt luukoes sisalduv kaltsium on omadustelt sarnane strontsiumi ja baariumiga, mis võivad seda luudes asendada. Sel juhul täheldatakse nii sünergismi kui ka antagonismi juhtumeid. Kaltsiumiioonid on ka naatriumi-, kaaliumi- ja magneesiumioonide antagonistid. Be 2+ ja Mg 2+ ioonide füüsikalis-keemiliste omaduste sarnasus määrab nende asendatavuse Mg–N ja Mg–O sidemeid sisaldavates ühendites. See võib seletada magneesiumi sisaldavate ensüümide pärssimist, kui berüllium siseneb kehasse. Berüllium on magneesiumi antagonist. Järelikult määrab mikroelementide füüsikalis-keemilised omadused ja bioloogilised toimed nende aatomite struktuuriga. Enamik biogeenseid elemente on D.I perioodilise süsteemi teise, kolmanda ja neljanda perioodi liikmed. Mendelejev. Need on suhteliselt kerged aatomid, mille aatomite tuumadel on suhteliselt väike laeng.
2. 4. 2. Siirdeelementide ühendite roll elektronide ülekandes elussüsteemides.
Elusorganismis on paljudel protsessidel tsükliline, laineline iseloom. Nende aluseks olevad keemilised protsessid peavad olema pöörduvad. Protsesside pöörduvuse määrab termodünaamiliste ja kineetiliste tegurite koosmõju. Pöörduvad reaktsioonid hõlmavad reaktsioone, mille konstandid on vahemikus 10 -3 kuni 10 3 ja mille protsessi väärtus on väike DG 0 ja DE 0. Nendes tingimustes võivad lähteainete ja reaktsioonisaaduste kontsentratsioonid olla võrreldavates kontsentratsioonides ning neid teatud vahemikus muutes on võimalik saavutada protsessi pöörduvus. Kineetilisest vaatenurgast peaksid aktiveerimisenergia väärtused olema madalad. Seetõttu on metalliioonid (raud, vask, mangaan, koobalt, molübdeen, titaan ja teised) elussüsteemides mugavad elektronide kandjad. Elektroni lisamine ja loovutamine põhjustab muutusi ainult metalliiooni elektroonilises konfiguratsioonis, muutmata oluliselt kompleksi orgaanilise komponendi struktuuri. Unikaalne roll elussüsteemides on omistatud kahele redokssüsteemile: Fe 3+ /Fe 2+ ja Cu 2+ /Cu + . Bioligandid stabiliseerivad suuremal määral esimese paari oksüdeeritud vormi ja teises paaris valdavalt redutseeritud vormi. Seetõttu on rauda sisaldavates süsteemides formaalne potentsiaal alati madalam ja vaske sisaldavates süsteemides sageli suurem.Vaske ja rauda sisaldavad redokssüsteemid hõlmavad väga erinevaid potentsiaale, mis võimaldab neil interakteeruda paljude substraatidega, millega kaasneb mõõdukas muudatused DG 0 ja DE 0, mis vastab pöörduvuse tingimustele. Ainevahetuse oluline samm on vesiniku eraldamine toitainetest. Seejärel muutuvad vesinikuaatomid ioonsesse olekusse ja nendest eraldatud elektronid sisenevad hingamisahelasse; selles ahelas, liikudes ühest ühendist teise, loovutavad nad oma energia ühe peamise energiaallika, adenosiintrifosforhappe (ATP) moodustumiseks ning lõpuks jõuavad nad ise hapniku molekulini ja ühinevad sellega, moodustades vee. molekulid. Sild, mida mööda elektronid võnkuvad, on porfüriini tuumaga keerulised rauaühendid, mis on koostiselt sarnased hemoglobiiniga.
Suurt rühma rauda sisaldavaid ensüüme, mis katalüüsivad elektronide ülekande protsessi mitokondrites nimetatakse tsütokroomid(ts.kh.), Kokku on teada umbes 50 tsütokroomi. Tsütokroomid on raudporfüriinid, milles rauaiooni kõik kuus orbitaali on hõivatud doonor-aatomite ehk bioligandiga. Tsütokroomide erinevus seisneb ainult porfüriinitsükli külgahelate koostises. Bioligandi struktuuri variatsioonid on põhjustatud formaalsete potentsiaalide suuruse erinevustest. Kõik rakud sisaldavad vähemalt kolme sarnase struktuuriga valku, mida nimetatakse tsütokroomideks a, b, c. Tsütokroom c-s toimub ühendus polüpeptiidahela histidiinijäägiga läbi porfüriini tuuma Raua ioonis oleva vaba koordinatsioonikoha hõivab polüpeptiidahela metioniinijääk:
Üks elektronide transpordiahela lülidest moodustavate tsütokroomide toimimise mehhanisme on elektronide ülekandmine ühelt substraadilt teisele.
Keemilisest vaatenurgast on tsütokroomid ühendid, millel on pöörduvates tingimustes redoksduaalsus.
Tsütokroom c elektronide ülekandega kaasneb raua oksüdatsiooniastme muutus:
c. X. Fe 3+ + e « c.xFe 2+
Hapnikuioonid reageerivad keskkonnas vesinikioonidega, moodustades vett või vesinikperoksiidi. Peroksiid lagundatakse spetsiaalse ensüümi katalaasi toimel kiiresti veeks ja hapnikuks vastavalt järgmisele skeemile:
2H 2 O 2 ® 2H 2 O + O 2
Ensüüm peroksidaas kiirendab orgaaniliste ainete oksüdatsioonireaktsioone vesinikperoksiidiga vastavalt järgmisele skeemile:
Nendel ensüümidel on struktuuris heem, mille keskel on raud oksüdatsiooniastmega +3 (jagu 2 7.7).
Elektronide transpordiahelas kannab tsütokroom c elektronid üle tsütokroomidele, mida nimetatakse tsütokroomoksüdaasideks. Need sisaldavad vaseioone. Tsütokroom on ühe elektroni kandja. Vase olemasolu ühes tsütokroomis koos rauaga muudab selle kaheelektroniliseks kandjaks, mis võimaldab protsessi kiirust reguleerida.
Vask on osa olulisest ensüümist - superoksiiddismutaasist (SOD), mis kasutab organismis reaktsiooni kaudu toksilist superoksiidiooni O2.
[SOD Cu 2+ ] + ® O 2 - [SOD Cu + ] + O 2
[SOD Cu + ] + O 2 - + 2H + ® [SODCu 2+ ] + H 2 O 2
Vesinikperoksiid laguneb organismis katalaasi toimel.
Praegu on teada umbes 25 vaske sisaldavat ensüümi. Nad moodustavad oksügenaaside ja hüdroksülaaside rühma. Nende koostist ja toimemehhanismi kirjeldatakse töös (2, punkt 7.9.).
Siirdeelementide kompleksid on suure membraaniläbilaskvuse ja ensümaatilise aktiivsusega bioloogiliselt aktiivsel kujul mikroelementide allikas. Nad on seotud keha kaitsmisega oksüdatiivse stressi eest. See on tingitud nende osalemisest ainevahetusproduktide kasutamises, mis määravad kontrollimatu oksüdatsiooniprotsessi (peroksiidid, vabad radikaalid ja muud hapnikuga aktiivsed liigid), samuti substraatide oksüdatsioonis. Substraadi oksüdatsiooni (RH) vabade radikaalide reaktsiooni mehhanismi vesinikperoksiidiga, kasutades katalüsaatorina rauakompleksi (FeL), saab kujutada reaktsiooniskeemidega.
RH + . OH® R. + H20; R. + FeL ® R + + FeL
Substraat
R + + OH - ® ROH
Oksüdeeritud substraat
Radikaalse reaktsiooni edasine esinemine viib kõrgema hüdroksüülimisastmega toodete moodustumiseni. Teised radikaalid toimivad sarnaselt: HO 2. , O2. , . O2-.
2. 5. P-ploki elementide üldised omadused
Nimetatakse elemente, milles välise valentsitaseme p-alatase on täidetud p-elemendid. Ns 2 p 1-6 valentstaseme elektrooniline struktuur. Valentselektronid on s- ja p-alatasandid.
Tabel 8. P-elementide asukoht elementide perioodilises tabelis.
| Periood | Grupp | |||||
| IIIA | IVA | V.A. | VIA kaudu | VIIA | VIIIA | |
| (C) | (N) | (O) | (F) | Ne | ||
| (P) | (S) | (Cl) | Ar | |||
| Ga | Kr | |||||
| sisse | Sn | Sb | Te | (mina) | Xe | |
| Tl | Pb | Bi | Po | Kell | Rn | |
| lk 1 | lk 2 | lk 3 | lk 4 | lk 5 | R 6 | |
| () – olulised elemendid, – biogeensed elemendid |
Perioodidel vasakult paremale suureneb tuumade laeng, mille mõju domineerib elektronide vastastikuse tõukejõu suurenemise üle. Seetõttu suurenevad perioodide kaupa ionisatsioonipotentsiaal, elektronide afiinsus ja sellest tulenevalt aktseptori võimsus ja mittemetallilised omadused. Kõik Br - diagonaalis ja kõrgemal asuvad elemendid on mittemetallid ja moodustavad ainult kovalentseid ühendeid ja anioone. Kõik muud p-elemendid (välja arvatud indium, tallium, poloonium, vismut, millel on metallilised omadused) on amfoteersed elemendid ja moodustavad nii katioone kui ka anioone, mis mõlemad on tugevalt hüdrolüüsitud. Enamik mittemetallilisi p-elemente on biogeensed (erandiks on väärisgaasid, telluur ja astatiin). P-elementidest - metallidest - on biogeenseks klassifitseeritud ainult alumiinium. Naaberelementide omaduste erinevused, nii sees; ja perioodi järgi: need väljenduvad palju tugevamalt kui s-elementide omad. teise perioodi p-elementidel - lämmastik, hapnik, fluor on väljendunud võime osaleda vesiniksidemete moodustamises. Kolmanda ja järgnevate perioodide elemendid kaotavad selle võime. Nende sarnasus seisneb ainult väliste elektronkihtide struktuuris ja nendes valentsseisundites, mis tekivad ergastamata aatomites paaritute elektronide tõttu. Boor, süsinik ja eriti lämmastik on väga erinevad oma rühma teistest elementidest (d- ja f-alatasemete olemasolu).
Kõik p-elemendid ja eriti teise ja kolmanda perioodi p-elemendid (C, N, P, O, S, Si, Cl) moodustavad arvukalt ühendeid omavahel ning s-, d- ja f-elementidega. Enamik Maal tuntud ühendeid on p-elementide ühendid. Elu viis peamist (makrobiogeenset) p-elementi - O, P, C, N ja S - on peamine ehitusmaterjal, millest koosnevad valkude, rasvade, süsivesikute ja nukleiinhapete molekulid. P-elementide madala molekulmassiga ühenditest on suurima tähtsusega oksoanioonid: CO 3 2-, HCO 3 -, C 2 O 4 2-, CH3COO -, PO 4 3-, HPO 4 2-, H 2 PO 4 -, SO 4 2- ja halogeniidiioonid. p-elementidel on palju erineva energiaga valentselektrone. Seetõttu on ühenditel erinev oksüdatsiooniaste. Näiteks süsinikul on erinevad oksüdatsiooniastmed vahemikus –4 kuni +4. Lämmastik - -3 kuni +5, kloor - -1 kuni +7.
Reaktsiooni käigus võib p-element loovutada ja vastu võtta elektrone, toimides vastavalt redutseerija või oksüdeeriva ainena, olenevalt elemendi omadustest, millega see interakteerub. Nii tekib nende poolt moodustatud suur hulk ühendeid. Erinevate oksüdatsiooniastmetega p-elementide aatomite vastastikune üleminek, sealhulgas metaboolsete redoksprotsesside tõttu (näiteks alkoholirühma oksüdeerumine nende aldehüüdrühmaks ja seejärel karboksüülrühmaks jne) põhjustab palju nende oksüdatsiooni. keemilised transformatsioonid.
Süsinikuühendil on oksüdeerivad omadused, kui reaktsiooni tulemusena suurendavad süsinikuaatomid selle sidemete arvu vähem elektronegatiivsete elementide (metall, vesinik) aatomitega, kuna ühissideme elektrone meelitades alandab süsinikuaatom oma oksüdatsiooniastet.
CH3®-CH2OH®-CH =O®-COOH®CO2
Elektronide ümberjaotumisega oksüdeeriva aine ja redutseerija vahel orgaanilistes ühendites võib kaasneda ainult keemilise sideme elektronide kogutiheduse nihkumine oksüdeeriva ainena toimiva aatomi suhtes. Tugeva polarisatsiooni korral võib see ühendus katkeda.
Fosfaadid elusorganismides toimivad luustiku, rakumembraanide ja nukleiinhapete struktuurikomponentidena. Luukoe on ehitatud peamiselt hüdroksüapatiidist Ca 5 (PO 4) 3 OH. Rakumembraanide aluseks on fosfolipiidid. Nukleiinhapped koosnevad riboosi- või desoksüriboosfosfaatahelatest. Lisaks on polüfosfaadid peamine energiaallikas.
Inimkehas sünteesitakse NO tingimata, kasutades ensüümi NO süntaasi aminohappest arginiinist. NO eluiga keharakkudes on suurusjärgus sekund, kuid nende normaalne toimimine ei ole ilma NOta võimalik. See ühend tagab: veresoonte lihaste silelihaste lõdvestamise, südametegevuse reguleerimise, immuunsüsteemi efektiivse toimimise, närviimpulsside edastamise. Usutakse, et NO mängib õppimises ja mälus olulist rolli.
Redoksreaktsioonid, milles osalevad p-elemendid, on nende toksilise mõju kehale aluseks. Lämmastikoksiidide toksiline toime on seotud nende kõrge redoksvõimega. Toiduga sattunud nitraadid redutseeritakse kehas nitrititeks.
NO 3 - + 2H + + 2e ® NO 2 + H 2 O
Nitrititel on väga mürgised omadused. Nad muudavad hemoglobiini methemoglobiiniks, mis on hemoglobiini hüdrolüüsi ja oksüdatsiooni saadus.
Selle tulemusena kaotab hemoglobiin võime transportida hapnikku keharakkudesse. Kehas areneb hüpoksia. Lisaks reageerivad nitritid nõrga happe sooladena maosisu vesinikkloriidhappega, moodustades lämmastikhappe, mis sekundaarsete amiinidega moodustab kantserogeenseid nitrosoamiine:
Kõrgmolekulaarsete orgaaniliste ühendite (aminohapped, polüpeptiidid, valgud, rasvad, süsivesikud ja nukleiinhapped) bioloogilise toime määravad kindlaks aatomid (N, P, S, O) või moodustunud aatomirühmad (funktsionaalsed rühmad), milles nad asuvad. toimivad keemiliselt aktiivsete keskustena, doonorite elektronpaaridena, mis on võimelised moodustama koordinatsioonisidemeid metalliioonide ja orgaaniliste molekulidega. Järelikult moodustavad p-elemendid polüdentaatkelaativaid ühendeid (aminohapped, polüpeptiidid, valgud, süsivesikud ja nukleiinhapped). Neid iseloomustavad keerukate moodustumise reaktsioonid, amfoteersed omadused ja anioonsed hüdrolüüsireaktsioonid. Need omadused määravad nende osalemise põhilistes biokeemilistes protsessides ja isohüdriidi seisundi tagamises. Nad moodustavad valgu-, fosfaadi-, vesinikkarbonaadi puhversüsteeme. Osaleda toitainete, ainevahetusproduktide ja muudes protsessides transportimisel.
3. 1. Elupaiga roll. Atmosfäärisaaste keemia. Arsti roll keskkonna ja inimeste tervise kaitsmisel.
A.P. Vinogradov näitas, et Maa pind on keemilise koostise poolest heterogeenne. Erinevates tsoonides asuvad taimed ja loomad, aga ka inimesed kasutavad erineva keemilise koostisega toitaineid ning reageerivad sellele teatud füsioloogiliste reaktsioonide ja keha teatud keemilise koostisega. Mikroelementide mõju sõltub nende organismi sattumisest. Biometallide kontsentratsioonid organismis normaalse funktsioneerimise ajal hoitakse vastavate valkude ja hormoonide abil rangelt määratletud tasemel (biootiline annus). Organismi biometallide varusid täiendatakse süstemaatiliselt. Neid leidub piisavas koguses toidus, mida me sööme. Toiduks kasutatavate taimede ja loomade keemiline koostis mõjutab organismi.
Intensiivne tööstuslik tootmine on toonud kaasa looduskeskkonna saastamise “kahjulike” ainetega, sealhulgas siirdeelementide ühenditega. Looduses toimub biogeokeemilistes provintsides elementide intensiivne ümberjaotumine. Nende kehasse sisenemise peamine tee (kuni 80%) on meie toit. Arvestades inimtekkelist keskkonnareostust, on vaja võtta radikaalseid meetmeid keskkonna ja selles elavate inimeste taastamiseks. See probleem on paljudes Euroopa riikides asetatud majanduskasvu probleemidest ettepoole ja kuulub prioriteetide hulka. Viimastel aastatel on suurenenud erinevate saasteainete eraldumine. Tööstuse arengu prognoos lubab järeldada, et heitkoguste ja keskkonnasaasteainete hulk kasvab jätkuvalt.
Nimetatakse tõelisi tsoone, milles elutegevuse tulemusena toimub elementide tsükkel ökosüsteemid või nagu akadeemik V.N. seda nimetas. Sukatšov, biogeotsenoosid. Inimene on meie planeedi ökosüsteemide lahutamatu osa. Inimene võib oma elutegevuses häirida loomuliku biogeense tsükli kulgu. Paljud tööstusharud saastavad keskkonda. V.I. Vernadski õpetuste kohaselt nimetatakse meie planeedi kest, mida inimese majandustegevus muudab. noosfäär. See hõlmab kogu biosfääri ja ületab selle piirid (stratosfäär, sügavad kaevandused, kaevud jne). Peamist rolli noosfääris mängib elementide tehnogeenne migratsioon – tehnogenees. Noosfääri geokeemia uurimine on teoreetiliseks aluseks loodusvarade ratsionaalsele kasutamisele ja võitlusele keskkonnareostusega. Gaasiline, vedel ja tahke keskkonnasaaste moodustavad atmosfääri põhjakihis mürgiseid aerosoole (udu, suitsu). Kui atmosfäär on saastatud vääveldioksiidiga, kõrge õhuniiskus ja ilma temperatuurita, tekib mürgine sudu. Põhilise kahju keskkonnale põhjustavad oksüdatsiooniproduktid SO 2, SO 3 ning happed H 2 SO 3 ja H 2 SO 4. Vääveloksiidi ja lämmastiku emissiooni tulemusena on tööstuspiirkondades happevihmad. Suures kontsentratsioonis vesinikioone sisaldav vihmavesi võib leostuda mürgiseid metalliioone:
ZnO(t) + 2H+ = Zn2+ (p) + H2O
Sisepõlemismootori töötamisel eralduvad lämmastikoksiidid, mille muundumissaaduseks on osoon:
N 2 + O 2 « 2NO (mootori silindris)
Ühiskonnale valmistavad suurt muret keskkonnaprobleemid, mille keemiline olemus seisneb biosfääri kaitsmises liigse süsinikoksiidi ja metaani eest, mis tekitavad “kasvuhooneefekti”, väävli- ja lämmastikoksiidide eest, mis toovad kaasa “happevihmad”; süsivesinike halogeenderivaadid (kloor, fluor), mis rikuvad "Maa osoonikilpi"; kantserogeensed ained (polüaromaatsed süsivesinikud ja nende mittetäieliku põlemise saadused) ja muud tooted. Tänapäeval on aktuaalseks muutumas mitte ainult keskkonnakaitse, vaid ka sisekeskkonna kaitse probleem. Elusorganismi sisenevate võõraste, eluvõõraste ja kutsutud ainete arv ksenobiootikumid. Maailma Terviseorganisatsiooni andmetel on neid umbes 4 miljonit. Nad satuvad kehasse toidu, vee ja õhuga, samuti ravimite (annusvormide) kujul.
Selle põhjuseks on kemikaalide tootjate ja tarbijate madal kultuur, kellel puuduvad professionaalsed keemiaalased teadmised. Tõepoolest, ainult ainete omaduste teadmatus ja võimetus ette näha nende liigse kasutamise tagajärgi võivad põhjustada korvamatuid kaotusi loodusele, mille lahutamatuks elemendiks on inimene. Tõepoolest, tänapäevani võrreldakse mõnda tootjat ja isegi meditsiinitöötajaid Bulgakovi veskiga, kes tahtis kohe malaariast taastuda uskumatu (šoki)annuse kiniiniga, kuid tal polnud aega - ta suri. Erinevate keemiliste elementide rolli keskkonnareostuses ja haiguste, sealhulgas kutsealaste haiguste esinemises ei ole veel piisavalt uuritud. On vaja analüüsida erinevate ainete sattumist keskkonda inimtegevuse tulemusena, nende sattumise viise inimkehasse, taimedesse, nende koostoimet erinevatel tasanditel elusorganismidega ning välja töötada tõhusate meetmete süsteem, mille eesmärk on nii ennetada inimkehasse, taimedesse, nende koostoimet elusorganismidega. edasine keskkonnareostus ja vajalike bioloogiliste vahendite loomine organismi sisekeskkonna kaitsmiseks. Meditsiinitöötajad on kohustatud osalema tehniliste, ennetavate, sanitaar-, hügieeni- ja ravimeetmete väljatöötamises ja rakendamises.
3.2 Biokeemilised provintsid. Endeemilised haigused.
Nimetatakse tsoone, mille piires loomi ja taimi iseloomustab teatud keemiline elementide koostis biogeokeemilised provintsid. Biogeokeemilised provintsid on biosfääri kolmanda järgu taksonid - erineva suurusega territooriumid biosfääri alampiirkondades, kus organismidele tekivad pidevad iseloomulikud reaktsioonid (näiteks endeemilised haigused). Biogeokeemilisi provintse on kahte tüüpi – looduslikud ja tehnogeensed, mis tulenevad maagimaardlate arengust, metallurgia- ja keemiatööstuse heitkogustest ning väetiste kasutamisest põllumajanduses. Tähelepanu tuleb pöörata mikroorganismide rollile keskkonna geokeemiliste omaduste loomisel. Elementide defitsiit ja liig võib viia biogeokeemiliste provintside tekkeni, mille põhjuseks on nii elementide defitsiit (jood, fluor, kaltsium, vask jne provintsid) kui ka nende liig (boor, molübdeen, fluor, vask jne). Broomi puuduse probleem mandripiirkondades, mägipiirkondades ning broomi ülejääk ranniku- ja vulkaanilistel maastikel on huvitav ja oluline. Nendes piirkondades kulges kesknärvisüsteemi areng kvalitatiivselt erinevalt. Lõuna-Uuralites on avastatud biogeokeemiline provints nikliga rikastatud kivimitel. Seda iseloomustavad kõrreliste koledad vormid ja lambahaigused, mis on seotud kõrge niklisisaldusega keskkonnas.
Biogeokeemiliste provintside korrelatsioon nende ökoloogilise seisundiga võimaldas tuvastada järgmised territooriumid: a) suhteliselt rahuldava ökoloogilise olukorraga - (suhtelise heaolu tsoon); b) pöörduvate, piiratud ja enamikul juhtudel eemaldatavate keskkonnarikkumistega - (keskkonnariski tsoon); c) suurel territooriumil pika aja jooksul täheldatud piisavalt kõrge ebasoodsa astmega, mille kõrvaldamine nõuab märkimisväärseid kulusid ja aega; (ökoloogilise kriisi tsoon); d) väga suure keskkonnahädaga, praktiliselt pöördumatu keskkonnakahjustusega, millel on selge lokalisatsioon -( ökoloogilise katastroofi tsoon).
Mõjuteguri, selle taseme, toime kestuse ja levikuala põhjal määratakse ohu- ja kriisitsoonideks järgmised loodustehnogeensed biogeokeemilised provintsid:
1. polümetallist (Pb, Cd, Hjg, Cu, Zn) domineerivate assotsiatsioonidega Cu–Zn, Cu–Ni, Pb–Zn, sealhulgas:
· vasega rikastatud (Lõuna-Uuralid, Baškortostan, Norilsk, Mednogorsk);
· rikastatud nikliga (Norilsk, Monchegorsk, Nickel, Polyarny, Tuva, Lõuna-Uuralid);
· pliiga rikastatud (Altai, Kaukaasia, Transbaikalia);
· rikastatud fluoriga (Kirovsk, Krasnojarsk, Bratsk);
· suure uraani ja radionukliidide sisaldusega keskkonnas (Transbaikalia, Altai, Lõuna-Uural).
2. biogeokeemilised provintsid mikroelementide (Se, I, Cu, Zn jne) defitsiitidega.
Keskkonnakeemia on teadus keemilistest protsessidest, mis määravad keskkonna – atmosfääri, hüdrosfääri ja pinnase – seisundi ja omadused.
Keemia haru, mis on pühendatud keskkonnanähtuste ja -probleemide keemiliste aluste, samuti keskkonnaobjektide keemiliste omaduste ja koostise kujunemisprotsesside uurimisele.
Keskkonnakeemia uurib nii keskkonnas toimuvaid looduslikke keemilisi protsesse kui ka selle inimtekkelise saastamise protsesse.
Inimtekkeline keskkonnareostus mõjutab oluliselt taimede ja loomade tervist. Taimestiku aastane toodang maailma maal enne selle häirimist inimeste poolt oli ligi 172x109 tonni kuivainet. Mõju tulemusena on selle looduslik toodang nüüdseks vähenenud vähemalt 25%. Väljaannetes V.V. Ermakova (1999), Yu.M. Zakharova (2003), I.M. Donnik (1997), M.S. Panin (2003) ja teised näitavad arenenud riikide territooriumil toimuvate inimtekkeliste keskkonnamõjude (EA) suurenevat agressiivsust.
V.A. Kovda esitas andmeid looduslike biogeokeemiliste tsüklite seose ja inimtegevuse panuse kohta looduslikesse protsessidesse; sellest ajast alates on tehnogeensed voolud suurenenud. Tema andmetel hinnatakse biosfääri biogeokeemilisi ja tehnogeenseid voogusid järgmiste väärtustega:
Maailma Terviseorganisatsiooni (WHO) andmetel kasutatakse enam kui 6 miljonist teadaolevast keemilisest ühendist kuni 500 tuhat, millest 40 tuhat on inimesele kahjulike omadustega ja 12 tuhat mürgised. 2009. aastaks kasvas järsult mineraalse ja orgaanilise tooraine tarbimine ning ulatus 40-50 tuhande tonnini Maa elaniku kohta. Sellest tulenevalt kasvavad tööstus-, põllumajandus- ja olmejäätmete kogused. 21. sajandil on inimtekkeline reostus viinud inimkonna keskkonnakatastroofi äärele. Seetõttu on Venemaa biosfääri ökoloogilise seisundi analüüs ja selle territooriumi ökoloogilise taastamise võimaluste otsimine väga asjakohane.
Praegu toodavad Venemaa Föderatsiooni kaevandus-, metallurgia-, keemia-, puidutöötlemis-, energeetika-, ehitusmaterjalide ja muude tööstusharude ettevõtted aastas umbes 7 miljardit tonni jäätmeid. Kasutatakse vaid 2 miljardit tonni ehk 28% kogumahust. Sellega seoses on riigi prügilasse ja mudahoidlatesse kogunenud umbes 80 miljardit tonni tahkeid jäätmeid. Aastas võõrandatakse umbes 10 tuhat hektarit põllumajanduseks sobivat maad nende ladustamiseks prügilasse. Suurim kogus jäätmeid tekib tooraine kaevandamisel ja rikastamisel. Nii oli 2005. aastal erinevates tööstusharudes kattekihi, sellega seotud kivimite ja rikastusjäätmete maht vastavalt 3100 ja 1200 miljonit m3. Puidutoorme ülestöötamisel ja töötlemisel tekib suur hulk jäätmeid. Raielangidel moodustavad jäätmed kuni 46,5% kogu väljaveetavast puidust. Meie riigis tekib aastas üle 200 miljoni m3 puidujäätmeid. Mustmetallurgia ettevõtetes tekib veidi vähem jäätmeid: 2004. aastal toodeti tulist vedelat räbu 79,7 miljonit tonni, sealhulgas kõrgahju 52,2 miljonit tonni, terase tootmist 22,3 miljonit tonni ja ferrosulameid 4,2 miljonit tonni. Maailmas sulatatakse aastas ligikaudu 15 korda vähem värvilisi metalle kui mustmetalle.
Värviliste metallide tootmisel maagi rikastamise käigus moodustub aga 1 tonni kontsentraatide kohta 30 kuni 100 tonni purustatud aherainet ja 1 tonni metalli kohta maagi sulatamisel 1 kuni 8 tonni räbu. , muda ja muud jäätmed.
Igal aastal toodavad keemia-, toidu-, mineraalväetiste ja muud tööstused üle 22 miljoni tonni kipsi sisaldavaid jäätmeid ja ligikaudu 120-140 miljonit tonni reoveesetet (kuiv), millest ligikaudu 90% saadakse tööstusliku reovee neutraliseerimisel. Rohkem kui 70% Kuzbassi jäätmehunnikutest liigitatakse põlevateks. Neist mitme kilomeetri kaugusel on SO2, CO ja CO2 kontsentratsioonid õhus oluliselt suurenenud. Raskmetallide kontsentratsioon pinnases ja pinnavees suureneb järsult ning uraanikaevanduste aladel - radionukliidid. Avakaevandamine põhjustab maastikuhäireid, mis on oma ulatuselt võrreldavad suurte loodusõnnetuste tagajärgedega. Nii moodustus Kuzbassi kaevanduste piirkonnas arvukalt sügavate (kuni 30 m) rikete ahelaid, mis ulatusid üle 50 km, kogupindalaga kuni 300 km2 ja rikete mahtudega rohkem. üle 50 miljoni m3.
Praegu hõivavad tohutud alad soojuselektrijaamade tahked jäätmed: tuhk, räbu, mis on koostiselt sarnane metallurgiajäätmetega. Nende aastane toodang ulatub 70 miljoni tonnini. Nende kasutusaste on 1-2%. Vene Föderatsiooni loodusvarade ministeeriumi andmetel ületab erinevate tööstusharude jäätmetega hõivatud maa üldpind üldiselt 2000 km2.
Aastas toodetakse maailmas üle 40 miljardi tonni toornaftat, millest tootmise, transportimise ja töötlemise käigus läheb kaotsi umbes 50 miljonit tonni naftat ja naftasaadusi. Nafta peetakse hüdrosfääri üheks kõige levinumaks ja ohtlikumaks saasteaineks, kuna ligikaudu kolmandik sellest toodetakse mandrilaval. Aastas meredesse ja ookeanidesse sisenevate naftasaaduste kogumass on hinnanguliselt 5-10 miljonit tonni.
Mittetulundusühingu Energostal andmetel ületab mustmetallurgia tolmu heitgaaside puhastusaste 80% ja tahkete taaskasutustoodete kasutusaste on ainult 66%.
Samal ajal on rauda sisaldava tolmu ja räbu kasutusmäär 72%, teiste tolmuliikide puhul aga 46%. Peaaegu kõik metallurgia- ja soojuselektrijaamade ettevõtted ei lahenda agressiivsete madala sisaldusega väävlit sisaldavate gaaside puhastamise küsimusi. Nende gaaside heitkogused ulatusid 25 miljoni tonnini. Väävlit sisaldavate gaaside heitkogused atmosfääri vähenesid perioodil 2005–2010 riigis 53 elektriploki gaasipuhastite käikulaskmisest 1,6 miljonilt tonnilt 0,9 miljonile tonnile. Galvaaniliste lahenduste neutraliseerimise küsimused on halvasti lahendatud. Veelgi aeglasemad on küsimused kasutatud söövituslahuste, keemiatootmislahuste ja reovee neutraliseerimisel ja töötlemisel tekkinud jäätmete kõrvaldamise kohta. Venemaa linnades juhitakse kuni 90% reoveest puhastamata kujul jõgedesse ja reservuaaridesse. Praeguseks on välja töötatud tehnoloogiad, mis võimaldavad muuta mürgised ained vähetoksilisteks ja isegi bioloogiliselt aktiivseteks, mida saab kasutada põllumajanduses ja muudes tööstusharudes.
Kaasaegsed linnad paiskavad atmosfääri ja veekeskkonda umbes 1000 ühendit. Mootortransport on linnade õhusaaste osas üks juhtivaid kohti. Paljudes linnades moodustavad heitgaasid 30% ja mõnes - 50%. Moskvas satub autotranspordiga atmosfääri umbes 96% CO-st, 33% NO2-st ja 64% süsivesinikest.
Mõjutegurite, nende taseme, toime kestuse ja levikuala põhjal liigitatakse Uuralite looduslikud-tehnogeensed biogeokeemilised provintsid kõige suurema keskkonnahädaga piirkondadeks. Viimastel aastatel on Uuralid hõivanud juhtiva positsiooni atmosfääri kahjulike ainete heitkoguste osas. Vastavalt A.A. Malygina, Uuralid on Venemaal õhu- ja veereostuse poolest esikohal ning mullareostuse poolest teisel kohal.
Uuralid on üks riigi suurimaid mustmetallide tootjaid. Selles on 28 metallurgiaettevõtet. Nende toorainega varustamiseks tegutseb piirkonnas üle 10 mäe- ja töötlemisettevõtte. 2003. aasta seisuga kogusid piirkonna metallurgiaettevõtted umbes 180 miljonit tonni kõrgahjuräbu, 40 miljonit tonni terasetööstuse räbu ja üle 20 miljoni tonni ferrokroomi tootmise räbu, samuti märkimisväärses koguses tolmu ja muda. Kehtestatud on jäätmete taaskasutamise võimalus erinevateks ehitusmaterjalideks rahvamajanduse vajadusteks.
Piirkonna puistangutesse on kogunenud üle 2,5 miljardi m3 erinevaid kivimeid, 250 miljonit tonni soojuselektrijaamade räbu ja tuhka. Ülekoorma kogumahust töödeldakse vaid 3%. Metallurgiaettevõtetes kasutatakse 14 miljonist tonnist aastas tekkivast räbust vaid 40-42%, millest 75% moodustab kõrgahjuräbu, 4% terase sulatus, 3% ferrosulam ja 17% värvilise metallurgia räbu. , ja soojuselektrijaama tuhk on vaid umbes 1%.
Mikro- ja makroelementide homöostaasi häired organismis on määratud biosfääri loodusliku ja tehisliku saastatusega, mis viib territoriaal-tööstuslike komplekside ümber laiade inimtekkeliste mikroelementide alade moodustumiseni. Kannatab mitte ainult tootmisprotsessiga otseselt seotud inimeste, vaid ka ettevõtete läheduses elavate inimeste tervis. Reeglina on neil vähem väljendunud kliiniline pilt ja nad võivad esineda teatud patoloogiliste seisundite varjatud kujul. On näidatud, et linnas asuvate tööstusettevõtete läheduses elamurajoonides ületavad plii kontsentratsioonid 14-50 korda, tsingi 30-40 korda, kroomi 11-46 korda ja nikli kontsentratsiooni 8-63 korda. .
Uurali elanike ökoloogilise ja keemilise olukorra ning tervisliku seisundi analüüs võimaldas kindlaks teha, et see kuulub saastetaseme poolest "keskkonnaavarii tsoonidesse". Eeldatav eluiga on Venemaa sarnaste näitajatega võrreldes 4-6 aastat lühem.
Elanikud, kes elavad pikka aega loodusliku ja tehisliku saaste tingimustes, puutuvad kokku keemiliste elementide ebanormaalsete kontsentratsioonidega, millel on kehale märgatav mõju. Üheks ilminguks on vere koostise muutus, mille põhjuseks on keha raua ja mikroelementide (Cu, Co) varustatuse rikkumine, mis on seotud nii nende vähese sisaldusega toidus kui ka kõrge veresuhkru sisaldusega. toidus sisalduvad ühendid, mis takistavad raua imendumist seedetraktis.
Bioloogiliste ja keemiliste parameetrite jälgimisel 56 talus Uurali erinevates piirkondades tuvastati tinglikult viis territooriumi varianti, mis erinevad keskkonnaomaduste poolest:
- * suurte tööstusettevõtete heitmetest saastatud territooriumid;
- * pikaealiste radionukliididega - strontsium-90 ja tseesium-137 (Ida-Uurali radioaktiivne jälg - EURT) - ettevõtete tegevuse tõttu saastunud territooriumid;
- * tööstusettevõtete surve all olevad territooriumid, mis asuvad samal ajal EURT tsoonis;
- * geokeemilised provintsid, kus on kõrge looduslik raskmetallide (Zn, Cu, Ni) sisaldus pinnases, vees, samuti radoon-222 ebanormaalne kontsentratsioon põhjaõhus ja vees;
- * keskkonnaliselt suhteliselt soodsad, tööstusettevõtetest vabad territooriumid
Elementide keemia ökoloogilised aspektid
Mikroelemendid ja ensüümid. Sissejuhatus metalloensüümidesse. Spetsiifilised ja mittespetsiifilised ensüümid. Metalliioonide roll ensüümides. Horisontaalne sarnasus d-elementide bioloogilises toimes.Elementide sünergia ja antagonism.
D-elemendi ioonide kalduvus hüdrolüüsile ja polümerisatsioonile
Happelises keskkonnas on d-elemendi ioonid hüdraatunud ioonide kujul [M(H 2 O) m ] n+. pH tõustes avaldavad paljude d-elementide hüdraatunud ioonid oma suure laengu ja väikese iooni suuruse tõttu veemolekule kõrge polariseeriva toimega, hüdroksiidioonide vastuvõtmisvõimega, läbivad katioonset hüdrolüüsi ja moodustavad tugevaid kovalentseid sidemeid OH-ga. Protsess lõpeb kas alussoolade [M(OH) m ] (m-n)+ või lahustumatute hüdroksiidide M(OH) n või hüdroksokomplekside [M(OH) m ] (n-m)- moodustumisega. Hüdrolüütilise interaktsiooni protsess võib toimuda polümerisatsioonireaktsiooni tulemusena mitmetuumaliste komplekside moodustumisega.
2. 4. D-elementide (siirdeelementide) bioloogiline roll
Elemendid, mille sisaldus ei ületa 10-3%, on osa ensüümidest, hormoonidest, vitamiinidest ja muudest elutähtsatest ühenditest. Valkude, süsivesikute ja rasvade ainevahetuseks on vaja: Fe, Co, Mn, Zn, Mo, V, B, W; Valkude sünteesis osalevad: Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, Cr, vereloomes – Co, Ti, Cu, Mn, Ni, Zn; hingeõhus - Mg, Fe, Cu, Zn, Mn ja Co. Seetõttu on mikroelemendid leidnud laialdast kasutust meditsiinis, põllukultuuride mikroväetisena ning väetisena looma-, linnu- ja kalakasvatuses. Mikroelemendid on osa paljudest elussüsteemide bioregulaatoritest, mis põhinevad biokompleksidel. Ensüümid on spetsiaalsed valgud, mis toimivad bioloogilistes süsteemides katalüsaatoritena. Ensüümid on ainulaadsed katalüsaatorid, millel on ületamatu efektiivsus ja kõrge selektiivsus. Näide vesinikperoksiidi 2H 2 O 2 ® 2H 2 O + O 2 lagunemisreaktsiooni efektiivsusest ensüümide juuresolekul on toodud tabelis 6.
Tabel 6. Aktiveerimisenergia (E o) ja H 2 O 2 lagunemisreaktsiooni suhteline kiirus erinevate katalüsaatorite puudumisel ja juuresolekul
Tänapäeval on teada rohkem kui 2000 ensüümi, millest paljud katalüüsivad ühte reaktsiooni. Suure rühma ensüümide aktiivsus avaldub ainult teatud mittevalguliste ühendite, mida nimetatakse kofaktoriteks, juuresolekul. Metalliioonid või orgaanilised ühendid toimivad kofaktoritena. Umbes kolmandiku ensüümidest aktiveerivad siirdemetallid.
Ensüümide metalliioonid täidavad mitmeid funktsioone: nad on ensüümi aktiivse tsentri elektrofiilne rühm ja hõlbustavad interaktsiooni substraadimolekulide negatiivselt laetud piirkondadega, moodustavad ensüümi struktuuri katalüütiliselt aktiivse konformatsiooni (spiraalse ahela moodustamisel). RNA struktuuris, osalevad tsingi- ja mangaaniioonid) ning osalevad elektronide transpordis (elektroniülekande kompleksid). Metalliiooni võime täita oma rolli vastava ensüümi aktiivses kohas sõltub metalliiooni võimest moodustada komplekse, moodustunud kompleksi geomeetriast ja stabiilsusest. See tagab ensüümi suurenenud selektiivsuse substraatide suhtes, ensüümis või substraadis olevate sidemete aktiveerimise koordineerimise kaudu ja substraadi kuju muutmise vastavalt aktiivse saidi steerilistele nõuetele.
Biokomplekside stabiilsus on erinev. Mõned neist on nii tugevad, et on pidevalt kehas ja täidavad teatud funktsiooni. Juhtudel, kui seos kofaktori ja ensüümvalgu vahel on tugev ja neid on raske eraldada, nimetatakse seda “proteesirühmaks”. Selliseid sidemeid leiti ensüümides, mis sisaldasid heemi kompleksset rauaühendit porfiini derivaadiga. Metallide roll sellistes kompleksides on väga spetsiifiline: selle asendamine isegi omadustelt sarnase elemendiga viib füsioloogilise aktiivsuse olulise või täieliku kadumiseni. Nende ensüümide hulka kuuluvad spetsiifilistele ensüümidele.
Sellisteks ühenditeks on näiteks klorofüll, polüfenüüloksidaas, vitamiin B12, hemoglobiin ja mõned metalloensüümid (spetsiifilised ensüümid). Vähesed ensüümid osalevad ainult ühes konkreetses või ühes reaktsioonis.
Enamiku ensüümide katalüütilised omadused on määratud erinevate mikroelementide poolt moodustatud aktiivne keskus. Ensüüme sünteesitakse funktsiooni kestuse jooksul. Metalliioon toimib aktivaatorina ja selle saab asendada teise metalliiooniga ilma ensüümi füsioloogilise aktiivsuse kadumiseta. Need on klassifitseeritud kui mittespetsiifilised ensüümid.
Allpool on toodud ensüümid, milles erinevad metalliioonid täidavad sarnaseid funktsioone.
Tabel 7. Ensüümid, milles erinevad metalliioonid täidavad sarnaseid funktsioone
Üks mikroelement võib aktiveerida erinevaid ensüüme ja ühte ensüümi võivad aktiveerida erinevad mikroelemendid. Ensüümid, mille mikroelemendid on samas oksüdatsiooniastmes +2, on bioloogiliselt kõige enam sarnased. Nagu näha, iseloomustab siirdeelementide mikroelemente nende bioloogilises toimes D.I perioodilises süsteemis rohkem horisontaalset kui vertikaalset sarnasust. Mendelejev (Ti-Zn seerias).Konkreetse mikroelemendi kasutamise üle otsustamisel on äärmiselt oluline arvestada mitte ainult selle elemendi liikuvate vormide olemasoluga, vaid ka teistega, millel on sama oksüdatsiooniaste ja mis võivad asendavad üksteist ensüümide koostises.
Mõned metalloensüümid hõivavad vahepealse positsiooni spetsiifiliste ja mittespetsiifiliste ensüümide vahel. Metalliioonid toimivad kofaktorina. Ensüümi biokompleksi tugevuse suurendamine suurendab selle bioloogilise toime spetsiifilisust. Ensüümi metalliiooni ensümaatilise toime efektiivsust mõjutab selle oksüdatsiooniaste. Vastavalt nende mõju intensiivsusele on mikroelemendid paigutatud järgmisele reale:
Ti 4+ ®Fe 3+ ®Cu 2+ ®Fe 2+ ®Mg 2+ ®Mn 2+. Mn 3+ ioon on erinevalt Mn 2+ ioonist väga tihedalt seotud valkudega ja peamiselt hapnikku sisaldavate rühmadega, koos on Fe 3+ metalloproteiinide osa.
Kompleksonaadi kujul olevad mikroelemendid toimivad organismis tegurina, mis ilmselt määrab rakkude kõrge tundlikkuse mikroelementide suhtes läbi nende osalemise kõrge kontsentratsioonigradiendi loomises. Aatomite ja ioonide raadiuse väärtused, ionisatsioonienergiad, koordinatsiooniarvud ja kalduvus moodustada sidemeid samade elementidega bioligandi molekulides määravad ioonide vastastikusel asendamisel täheldatud mõjud: võib ilmneda suurenedes. (sünergia) ja nende bioloogilise aktiivsuse pärssimisega (antagonism) elementi vahetatakse. D-elementide ioonidel oksüdatsiooniastmes +2 (Mn, Fe, Co, Ni, Zn) on sarnased aatomite füüsikalis-keemilised omadused (välistasandi elektrooniline struktuur, sarnased iooniraadiused, orbitaalse hübridisatsiooni tüüp, sarnased aatomite väärtused). stabiilsuskonstandid bioligandidega). Kompleksimoodustaja füüsikalis-keemiliste omaduste sarnasus määrab nende bioloogilise toime sarnasuse ja vahetatavuse. Ülaltoodud üleminekuelemendid stimuleerivad hematopoeetilisi protsesse ja võimendavad ainevahetusprotsesse. Elementide sünergia hematopoeesi protsessides on tõenäoliselt seotud nende elementide ioonide osalemisega inimvere moodustunud elementide sünteesi protsessi erinevates etappides.
I rühma s-elemente iseloomustab võrreldes nende perioodi teiste elementidega väike aatomituumade laeng, valentselektronide madal ionisatsioonipotentsiaal, suur aatomi suurus ja selle suurenemine rühmas ülalt alla. Kõik see määrab nende ioonide oleku vesilahustes hüdraatunud ioonide kujul. Liitiumi ja naatriumi suurim sarnasus määrab nende asendatavuse ja nende toime sünergia. Kaaliumi-, rubiidiumi- ja tseesiumioonide destruktiivsed omadused vesilahustes tagavad nende parema membraani läbilaskvuse, vahetatavuse ja toime sünergia. K + kontsentratsioon rakkude sees on 35 korda kõrgem kui väljaspool seda ja Na + kontsentratsioon rakuvälises vedelikus on 15 korda kõrgem kui raku sees. Need ioonid on bioloogilistes süsteemides antagonistid. s – II rühma elemente leidub organismis fosfor-, süsi- ja karboksüülhapete poolt moodustatud ühendite kujul. Peamiselt luukoes sisalduv kaltsium on omadustelt sarnane strontsiumi ja baariumiga, mis võivad seda luudes asendada. Sel juhul täheldatakse nii sünergia kui ka antagonismi juhtumeid. Kaltsiumiioonid on ka naatriumi-, kaaliumi- ja magneesiumioonide antagonistid. Be 2+ ja Mg 2+ ioonide füüsikalis-keemiliste omaduste sarnasus määrab nende asendatavuse Mg–N ja Mg–O sidemeid sisaldavates ühendites. See võib seletada magneesiumi sisaldavate ensüümide pärssimist, kui berüllium siseneb kehasse. Berüllium on magneesiumi antagonist. Järelikult määrab mikroelementide füüsikalis-keemilised omadused ja bioloogilised toimed nende aatomite struktuuriga. Enamik biogeenseid elemente on D.I perioodilise süsteemi teise, kolmanda ja neljanda perioodi liikmed. Mendelejeva. Need on suhteliselt kerged aatomid, mille aatomite tuumadel on suhteliselt väike laeng.
2. 4. 2. Siirdeelementide ühendite roll elektronide ülekandel elussüsteemides.
Elusorganismis on paljudel protsessidel tsükliline, laineline iseloom. Nende aluseks olevad keemilised protsessid peavad olema pöörduvad. Protsesside pöörduvuse määrab termodünaamiliste ja kineetiliste tegurite koosmõju. Pöörduvad reaktsioonid hõlmavad reaktsioone, mille konstandid on vahemikus 10 -3 kuni 10 3 ja mille protsessi väärtus on väike DG 0 ja DE 0. Nendes tingimustes võivad lähteainete ja reaktsioonisaaduste kontsentratsioonid olla võrreldavates kontsentratsioonides ning neid teatud vahemikus muutes on võimalik saavutada protsessi pöörduvus. Kineetilisest vaatenurgast peaksid aktiveerimisenergia väärtused olema madalad. Sel põhjusel on metalliioonid (raud, vask, mangaan, koobalt, molübdeen, titaan ja teised) elussüsteemides mugavad elektronide kandjad. Elektroni lisamine ja loovutamine põhjustab muutusi ainult metalliiooni elektroonilises konfiguratsioonis, muutmata oluliselt kompleksi orgaanilise komponendi struktuuri. Unikaalne roll elussüsteemides on omistatud kahele redokssüsteemile: Fe 3+ /Fe 2+ ja Cu 2+ /Cu + . Bioligandid stabiliseerivad suuremal määral esimese paari oksüdeeritud vormi ja teises paaris valdavalt redutseeritud vormi. Sel põhjusel on rauda sisaldavates süsteemides formaalne potentsiaal alati väiksem ja vaske sisaldavates süsteemides on formaalne potentsiaal sageli suurem.Vaske ja rauda sisaldavad redokssüsteemid hõlmavad väga erinevaid potentsiaale, mis võimaldab neil suhelda paljude substraatidega, millega kaasnevad mõõdukad muutused DG 0 ja DE 0, mis vastab pöörduvuse tingimustele. Ainevahetuse oluline samm on vesiniku eraldamine toitainetest. Seejärel muutuvad vesinikuaatomid ioonsesse olekusse ja nendest eraldatud elektronid sisenevad hingamisahelasse; selles ahelas ühest ühendist teise liikudes loovutavad nad oma energiat, et moodustada üks põhilistest energiaallikatest, adenosiintrifosforhape (ATP), ning lõpuks jõuavad nad ise hapnikumolekulini ja ühinevad sellega, moodustades veemolekule. Sild, mida mööda elektronid võnkuvad, on porfüriini tuumaga keerulised rauaühendid, mis on koostiselt sarnased hemoglobiiniga.
Suurt rühma rauda sisaldavaid ensüüme, mis katalüüsivad elektronide ülekande protsessi mitokondrites, nimetatakse tavaliselt tsütokroomid(ts.kh.), Kokku on teada umbes 50 tsütokroomi. Tsütokroomid on raudporfüriinid, milles rauaiooni kõik kuus orbitaali on hõivatud doonor-aatomite ehk bioligandiga. Tsütokroomide erinevus seisneb ainult porfüriinitsükli külgahelate koostises. Bioligandi struktuuri variatsioonid on põhjustatud formaalsete potentsiaalide suuruse erinevustest. Kõik rakud sisaldavad vähemalt kolme sarnase struktuuriga valku, mida nimetatakse tsütokroomideks a, b, c. Tsütokroom c-s toimub ühendus polüpeptiidahela histidiinijäägiga läbi porfüriini tuuma Raua ioonis oleva vaba koordinatsioonikoha hõivab polüpeptiidahela metioniinijääk:
Üks elektronide transpordiahela lülidest moodustavate tsütokroomide toimimise mehhanisme on elektronide ülekandmine ühelt substraadilt teisele.
Keemilisest vaatenurgast on tsütokroomid ühendid, millel on pöörduvates tingimustes redoksduaalsus.
Tsütokroom c elektronide ülekandega kaasneb raua oksüdatsiooniastme muutus:
c. X. Fe 3+ + e « c.xFe 2+
Hapnikuioonid reageerivad keskkonnas vesinikioonidega, moodustades vett või vesinikperoksiidi. Peroksiid lagundatakse spetsiaalse ensüümi katalaasi toimel kiiresti veeks ja hapnikuks vastavalt järgmisele skeemile:
2H 2 O 2 ® 2H 2 O + O 2
Ensüüm peroksidaas kiirendab orgaaniliste ainete oksüdatsioonireaktsioone vesinikperoksiidiga vastavalt järgmisele skeemile:
Nendel ensüümidel on struktuuris heem, mille keskel on raud oksüdatsiooniastmega +3 (jagu 2 7.7).
Elektronide transpordiahelas kannab tsütokroom c elektronid üle tsütokroomidele, mida nimetatakse tsütokroomoksüdaasideks. Need sisaldavad vaseioone. Tsütokroom on ühe elektroni kandja. Vase olemasolu ühes tsütokroomis koos rauaga muudab selle kaheelektroniliseks kandjaks, mis võimaldab protsessi kiirust reguleerida.
Vask on osa olulisest ensüümist - superoksiiddismutaasist (SOD), mis kasutab organismis reaktsiooni kaudu toksilist superoksiidiooni O2.
[SOD Cu 2+ ] + ® O 2 - [SOD Cu + ] + O 2
[SOD Cu + ] + O 2 - + 2H + ® [SODCu 2+ ] + H 2 O 2
Vesinikperoksiid laguneb organismis katalaasi toimel.
Tänapäeval on teada umbes 25 vaske sisaldavat ensüümi. Οʜᴎ moodustavad oksügenaaside ja hüdroksülaaside rühma. Nende koostist ja toimemehhanismi kirjeldatakse töös (2, punkt 7.9.).
Siirdeelementide kompleksid on suure membraaniläbilaskvuse ja ensümaatilise aktiivsusega bioloogiliselt aktiivsel kujul mikroelementide allikas. Οʜᴎ osaleda keha kaitsmisel oksüdatiivse stressi eest. See on tingitud nende osalemisest ainevahetusproduktide kasutamises, mis määravad kontrollimatu oksüdatsiooniprotsessi (peroksiidid, vabad radikaalid ja muud hapnikuga aktiivsed liigid), samuti substraatide oksüdatsioonis. Substraadi oksüdatsiooni (RH) vabade radikaalide reaktsiooni mehhanismi vesinikperoksiidiga, kasutades katalüsaatorina rauakompleksi (FeL), saab kujutada reaktsiooniskeemidega.
RH + . OH® R. + H20; R. + FeL ® R + + FeL
Substraat
R + + OH - ® ROH
Oksüdeeritud substraat
Radikaalse reaktsiooni edasine esinemine viib kõrgema hüdroksüülimisastmega toodete moodustumiseni. Teised radikaalid toimivad sarnaselt: HO 2. , O2. , . O2-.
2. 5. P-ploki elementide üldised omadused
Nimetatakse elemente, milles välise valentsitaseme p-alatase on täidetud p-elemendid. Ns 2 p 1-6 valentstaseme elektrooniline struktuur. Valentselektronid on s- ja p-alatasandid.
Tabel 8. P-elementide asukoht elementide perioodilises tabelis.
| Periood | Grupp | |||||
| IIIA | IVA | V.A. | VIA kaudu | VIIA | VIIIA | |
| (C) | (N) | (O) | (F) | Ne | ||
| (P) | (S) | (Cl) | Ar | |||
| Ga | Kr | |||||
| sisse | Sn | Sb | Te | (mina) | Xe | |
| Tl | Pb | Bi | Po | Kell | Rn | |
| lk 1 | lk 2 | lk 3 | lk 4 | lk 5 | R 6 | |
| () – olulised elemendid, – biogeensed elemendid |
Perioodidel vasakult paremale suureneb tuumade laeng, mille mõju domineerib elektronide vastastikuse tõukejõu suurenemise üle. Sel põhjusel suureneb ionisatsioonipotentsiaal, elektronide afiinsus ja sellest tulenevalt ka aktseptori võimsus ja mittemetallilised omadused perioodide kaupa. Kõik Br - diagonaalis ja kõrgemal asuvad elemendid on mittemetallid ja moodustavad ainult kovalentseid ühendeid ja anioone. Kõik muud p-elemendid (välja arvatud indium, tallium, poloonium, vismut, millel on metallilised omadused) on amfoteersed elemendid ja moodustavad nii katioone kui ka anioone, mis mõlemad on tugevalt hüdrolüüsitud. Enamik mittemetallilisi p-elemente on biogeensed (erandiks on väärisgaasid, telluur ja astatiin). P-elementidest - metallidest - on biogeenseks klassifitseeritud ainult alumiinium. Naaberelementide omaduste erinevused, nii sees; ja perioodi järgi: need väljenduvad palju tugevamalt kui s-elementide omad. teise perioodi p-elementidel - lämmastik, hapnik, fluor on väljendunud võime osaleda vesiniksidemete moodustamises. Kolmanda ja järgnevate perioodide elemendid kaotavad selle võime. Nende sarnasus seisneb ainult väliste elektronkihtide struktuuris ja nendes valentsseisundites, mis tekivad ergastamata aatomites paaritute elektronide tõttu. Boor, süsinik ja eriti lämmastik on väga erinevad oma rühma teistest elementidest (d- ja f-alatasemete olemasolu).
Kõik p-elemendid ja eriti teise ja kolmanda perioodi p-elemendid (C, N, P, O, S, Si, Cl) moodustavad arvukalt ühendeid omavahel ning s-, d- ja f-elementidega. Enamik Maal tuntud ühendeid on p-elementide ühendid. Elu viis peamist (makrobiogeenset) p-elementi - O, P, C, N ja S - on peamine ehitusmaterjal, millest koosnevad valkude, rasvade, süsivesikute ja nukleiinhapete molekulid. P-elementide madala molekulmassiga ühenditest on olulisemad oksoanioonid: CO 3 2-, HCO 3 -, C 2 O 4 2-, CH3COO -, PO 4 3-, HPO 4 2-, H 2 PO 4 -, SO 4 2- ja halogeniidiioonid. p-elementidel on palju erineva energiaga valentselektrone. Seetõttu on ühenditel erinev oksüdatsiooniaste. Näiteks süsinikul on erinevad oksüdatsiooniastmed vahemikus –4 kuni +4. Lämmastik - -3 kuni +5, kloor - -1 kuni +7.
Reaktsiooni käigus võib p-element loovutada ja vastu võtta elektrone, toimides vastavalt redutseerija või oksüdeeriva ainena, olenevalt elemendi omadustest, millega see interakteerub. Nii tekib nende poolt moodustatud suur hulk ühendeid. Erinevate oksüdatsiooniastmetega p-elementide aatomite vastastikune üleminek, sealhulgas metaboolsete redoksprotsesside tõttu (näiteks alkoholirühma oksüdeerumine nende aldehüüdrühmaks ja seejärel karboksüülrühmaks jne) põhjustab hulgaliselt nende keemilised muutused.
Süsinikuühendil on oksüdeerivad omadused, kui reaktsiooni tulemusena suurendavad süsinikuaatomid selle sidemete arvu vähem elektronegatiivsete elementide (metall, vesinik) aatomitega, kuna ühissideme elektrone meelitades alandab süsinikuaatom oma oksüdatsiooniastet.
CH3®-CH2OH®-CH =O®-COOH®CO2
Elektronide ümberjaotumisega oksüdeeriva aine ja redutseerija vahel orgaanilistes ühendites võib kaasneda ainult keemilise sideme elektronide kogutiheduse nihkumine oksüdeeriva ainena toimiva aatomi suhtes. Tugeva polarisatsiooni korral võib see ühendus katkeda.
Fosfaadid elusorganismides toimivad rakumembraanide ja nukleiinhapete skeleti struktuurikomponentidena. Luukoe on ehitatud peamiselt hüdroksüapatiidist Ca 5 (PO 4) 3 OH. Rakumembraanide aluseks on fosfolipiidid. Nukleiinhapped koosnevad riboosi- või desoksüriboosfosfaatahelatest. Lisaks on polüfosfaadid peamine energiaallikas.
Inimkehas sünteesitakse NO tingimata, kasutades ensüümi NO süntaasi aminohappest arginiinist. NO eluiga keharakkudes on suurusjärgus sekund, kuid nende normaalne toimimine ei ole ilma NOta võimalik. See ühend tagab: veresoonte lihaste silelihaste lõdvestamise, südametegevuse reguleerimise, immuunsüsteemi efektiivse toimimise, närviimpulsside edasikandumise. Usutakse, et NO mängib õppimises ja mälus olulist rolli.
Redoksreaktsioonid, milles osalevad p-elemendid, on nende toksilise mõju kehale aluseks. Lämmastikoksiidide toksiline toime on seotud nende kõrge redoksvõimega. Toiduga sattunud nitraadid redutseeritakse kehas nitrititeks.
NO 3 - + 2H + + 2e ® NO 2 + H 2 O
Nitrititel on väga mürgised omadused. Οʜᴎ muudab hemoglobiini methemoglobiiniks, mis on hemoglobiini hüdrolüüsi ja oksüdatsiooni saadus.
Selle tulemusena kaotab hemoglobiin võime transportida hapnikku keharakkudesse. Kehas areneb hüpoksia. Samal ajal reageerivad nitritid nõrga happe sooladena maosisu vesinikkloriidhappega, moodustades lämmastikhappe, mis sekundaarsete amiinidega moodustab kantserogeenseid nitrosoamiine:
Kõrgmolekulaarsete orgaaniliste ühendite (aminohapped, polüpeptiidid, valgud, rasvad, süsivesikud ja nukleiinhapped) bioloogilise toime määravad kindlaks aatomid (N, P, S, O) või moodustunud aatomirühmad (funktsionaalsed rühmad), milles nad asuvad. toimivad keemiliselt aktiivsete keskustena, elektronpaaride doonoritena, mis on võimelised moodustama koordinatsioonisidemeid metalliioonide ja orgaaniliste molekulidega. Järelikult moodustavad p-elemendid polüdentaatkelaativaid ühendeid (aminohapped, polüpeptiidid, valgud, süsivesikud ja nukleiinhapped). Tasub öelda, et neid iseloomustavad keerulised moodustumise reaktsioonid, amfoteersed omadused ja anioonsed hüdrolüüsireaktsioonid. Need omadused määravad nende osalemise põhilistes biokeemilistes protsessides ja isohüdriidi seisundi tagamises. Οʜᴎ moodustavad valgu, fosfaadi, vesinikkarbonaadi puhversüsteeme. Osaleda toitainete, ainevahetusproduktide ja muudes protsessides transportimisel.
3. 1. Elupaiga roll. Atmosfäärisaaste keemia. Arsti roll keskkonna ja inimeste tervise kaitsmisel.
A.P. Vinogradov näitas, et Maa pind on keemilise koostise poolest heterogeenne. Erinevates tsoonides asuvad taimed ja loomad, aga ka inimesed kasutavad erineva keemilise koostisega toitaineid ning reageerivad sellele teatud füsioloogiliste reaktsioonide ja keha teatud keemilise koostisega. Mikroelementide mõju sõltub nende organismi sattumisest. Biometallide kontsentratsioonid organismis normaalse funktsioneerimise ajal hoitakse vastavate valkude ja hormoonide abil rangelt määratletud tasemel (biootiline annus). Organismi biometallide varusid täiendatakse süstemaatiliselt. Οʜᴎ sisaldub tarbitavas toidus piisavas koguses. Toiduks kasutatavate taimede ja loomade keemiline koostis mõjutab organismi.
Intensiivne tööstuslik tootmine on toonud kaasa looduskeskkonna saastamise “kahjulike” ainetega, sealhulgas siirdeelementide ühenditega. Looduses toimub biogeokeemilistes provintsides elementide intensiivne ümberjaotumine. Nende kehasse sisenemise peamine tee (kuni 80%) on meie toit. Arvestades inimtekkelist keskkonnareostust, on äärmiselt oluline võtta kasutusele radikaalsed meetmed keskkonna ja selles elavate inimeste taastamiseks. See probleem on paljudes Euroopa riikides asetatud majanduskasvu probleemidest ettepoole ja kuulub prioriteetide hulka. Viimastel aastatel on suurenenud erinevate saasteainete eraldumine. Tööstuse arengu prognoos lubab järeldada, et heitkoguste ja keskkonnasaasteainete hulk kasvab jätkuvalt.
Nimetatakse tõelisi tsoone, milles elutegevuse tulemusena toimub elementide tsükkel ökosüsteemid või nagu akadeemik V.N. seda nimetas. Sukatšov, biogeotsenoosid. Inimene on meie planeedi ökosüsteemide lahutamatu osa. Inimene võib oma elutegevuses häirida loomuliku biogeense tsükli kulgu. Paljud tööstusharud saastavad keskkonda. V.I. Vernadski õpetuste kohaselt nimetatakse meie planeedi kest, mida inimese majandustegevus muudab. noosfäär. See hõlmab kogu biosfääri ja ületab selle piirid (stratosfäär, sügavad kaevandused, kaevud jne). Peamist rolli noosfääris mängib elementide tehnogeenne migratsioon – tehnogenees. Noosfääri geokeemia uurimine on teoreetiliseks aluseks loodusvarade ratsionaalsele kasutamisele ja võitlusele keskkonnareostusega. Gaasiline, vedel ja tahke keskkonnasaaste moodustavad atmosfääri põhjakihis mürgiseid aerosoole (udu, suitsu). Kui atmosfäär on saastatud vääveldioksiidiga, kõrge õhuniiskuse ja temperatuuri puudumisel, tekib mürgine suits. Põhilise kahju keskkonnale põhjustavad oksüdatsiooniproduktid SO 2, SO 3 ning happed H 2 SO 3 ja H 2 SO 4. Vääveloksiidi ja lämmastiku emissiooni tulemusena on tööstuspiirkondades happevihmad. Suures kontsentratsioonis vesinikioone sisaldav vihmavesi võib leostuda mürgiseid metalliioone:
ZnO(t) + 2H+ = Zn2+ (p) + H2O
Sisepõlemismootori töötamisel eralduvad lämmastikoksiidid, mille muundumissaaduseks on osoon:
N 2 + O 2 « 2NO (mootori silindris)
Ühiskonnale valmistavad suurt muret keskkonnaprobleemid, mille keemiline olemus seisneb biosfääri kaitsmises liigse süsinikoksiidi ja metaani eest, mis tekitavad “kasvuhooneefekti”, väävel- ja lämmastikoksiidide eest, mis viivad “happevihmadeni”; süsivesinike halogeenderivaadid (kloor, fluor), mis rikuvad "Maa osoonikilpi"; kantserogeensed ained (polüaromaatsed süsivesinikud ja nende mittetäieliku põlemise saadused) ja muud tooted. Tänapäeval on aktuaalseks muutumas mitte ainult keskkonnakaitse, vaid ka sisekeskkonna kaitse probleem. Elusorganismi sisenevate võõraste, eluvõõraste ja kutsutud ainete arv ksenobiootikumid. Maailma Terviseorganisatsiooni andmetel on neid umbes 4 miljonit. Nad satuvad kehasse toidu, vee ja õhuga, samuti ravimite (annusvormide) kujul.
Selle põhjuseks on kemikaalide tootjate ja tarbijate madal kultuur, kellel puuduvad professionaalsed keemiaalased teadmised. Tõepoolest, ainult ainete omaduste teadmatus ja võimetus ette näha nende liigse kasutamise tagajärgi võivad põhjustada korvamatuid kaotusi loodusele, mille lahutamatuks elemendiks on inimene. Tõepoolest, tänapäevani võrreldakse mõnda tootjat ja isegi meditsiinitöötajaid Bulgakovi veskiga, kes tahtis kohe malaariast taastuda uskumatu (šoki)annuse kiniiniga, kuid tal polnud aega - ta suri. Erinevate keemiliste elementide rolli keskkonnareostuses ja haiguste, sealhulgas kutsealaste haiguste esinemises ei ole veel piisavalt uuritud. On vaja analüüsida erinevate ainete sattumist keskkonda inimtegevuse tulemusena, nende sattumise viise inimkehasse, taimedesse, nende koostoimet erinevatel tasanditel elusorganismidega ning välja töötada tõhusate meetmete süsteem, mille eesmärk on nii ennetada inimkehasse, taimedesse, nende koostoimet elusorganismidega. edasine keskkonnareostus ja vajalike bioloogiliste vahendite loomine organismi sisekeskkonna kaitsmiseks. Meditsiinitöötajad on kohustatud osalema tehniliste, ennetavate, sanitaar-, hügieeni- ja ravimeetmete väljatöötamises ja rakendamises.
3.2 Biokeemilised provintsid. Endeemilised haigused.
Nimetatakse tsoone, mille piires loomi ja taimi iseloomustab teatud keemiline elementide koostis biogeokeemilised provintsid. Biogeokeemilised provintsid on biosfääri kolmanda järgu taksonid - erineva suurusega territooriumid biosfääri alampiirkondades, kus organismidele tekivad pidevad iseloomulikud reaktsioonid (näiteks endeemilised haigused). Biogeokeemilisi provintse on kahte tüüpi – looduslikud ja tehnogeensed, mis tulenevad maagimaardlate arengust, metallurgia- ja keemiatööstuse heitkogustest ning väetiste kasutamisest põllumajanduses. Tähelepanu tuleb pöörata mikroorganismide rollile keskkonna geokeemiliste omaduste loomisel. Elementide defitsiit ja liig võib viia biogeokeemiliste provintside tekkeni, mille põhjuseks on nii elementide defitsiit (jood, fluor, kaltsium, vask jne provintsid) kui ka nende liig (boor, molübdeen, fluor, vask jne). Broomi puuduse probleem mandripiirkondades, mägipiirkondades ning broomi ülejääk ranniku- ja vulkaanilistel maastikel on huvitav ja oluline. Nendes piirkondades kulges kesknärvisüsteemi areng kvalitatiivselt erinevalt. Lõuna-Uuralites avastati nikliga rikastatud kivimitel biogeokeemiline provints. Väärib märkimist, et seda iseloomustavad inetud rohu- ja lambahaigused, mis on seotud suurenenud niklisisaldusega keskkonnas.
Biogeokeemiliste provintside korrelatsioon nende ökoloogilise seisundiga võimaldas tuvastada järgmised territooriumid: a) suhteliselt rahuldava ökoloogilise olukorraga - (suhtelise heaolu tsoon); b) pöörduvate, piiratud ja enamikul juhtudel eemaldatavate keskkonnarikkumistega - (keskkonnariski tsoon); c) suurel territooriumil pika aja jooksul täheldatud piisavalt kõrge ebasoodsa astmega, mille kõrvaldamine nõuab märkimisväärseid kulusid ja aega; (ökoloogilise kriisi tsoon); d) väga suure keskkonnahädaga, praktiliselt pöördumatu keskkonnakahjustusega, millel on selge lokalisatsioon -( ökoloogilise katastroofi tsoon).
Mõjuteguri, selle taseme, toime kestuse ja levikuala põhjal määratakse ohu- ja kriisitsoonideks järgmised loodustehnogeensed biogeokeemilised provintsid:
1. polümetallist (Pb, Cd, Hjg, Cu, Zn) domineerivate assotsiatsioonidega Cu–Zn, Cu–Ni, Pb–Zn, sealhulgas:
· vasega rikastatud (Lõuna-Uuralid, Baškortostan, Norilsk, Mednogorsk);
· rikastatud nikliga (Norilsk, Monchegorsk, Nickel, Polyarny, Tuva, Lõuna-Uuralid);
· pliiga rikastatud (Altai, Kaukaasia, Transbaikalia);
· rikastatud fluoriga (Kirovsk, Krasnojarsk, Bratsk);
· suure uraani ja radionukliidide sisaldusega keskkonnas (Transbaikalia, Altai, Lõuna-Uural).
2. biogeokeemilised provintsid mikroelementide (Se, I, Cu, Zn jne) defitsiitidega.