Экологическая гидрохимия

На главную Базовые лаборатории Наши преподаватели Наши студенты Контакты

Экологическое право

Экономика природопользования

Математическое моделирование экосистем

Математическое моделирование переноса и трансформации веществ

Химия почв

СКАЧАТЬ

I. Организационно-методический раздел

1.1. Курс "Экологическая гидрохимия" предназначен для подготовки дипломированного специалиста по специальности 0110Х "Химия" (специализация "Химия окружающей среды") по циклу "Общепрофессиональные и специальные дисциплины" государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования второго поколения.
Цели и задачи курса:
Дисциплина "Экологическая гидрохимия" предназначена для студентов-химиков факультета естественных наук, специализирующихся по химии окружающей среды.
Основной целью освоения дисциплины является ознакомление студентов с современными подходами и методами химико-экологических исследований природных вод в их естественном и нарушенном состоянии.
Для достижения поставленной цели выделяются следующие задачи курса: приобретение теоретических знаний об эволюции химического состава гидросферы, ее современной структуре, факторах формирования состава вод атмосферы, поверхностных,подземных, океанических вод, проблемах их загрязнения, нормирования и контроля; ознакомление с современными методами оценки состояния веществ в природных водах; приобретение практических навыков химико-экологических исследований природных вод.

Требования к уровню освоения содержания курса (дисциплины).
По окончании изучения указанной дисциплины студент должен
- иметь представление о взаимосвязи абиотических и биотических факторов формирования состава природных вод;
- знать химические процессы превращений веществ в природных водах;
- уметь применять экспериментальные и расчетные методы изучения состояния веществ в природных водах.

1.2. Формы контроля
Итоговый контроль. Для контроля усвоения дисциплины учебным планом предусмотрен экзамен.
Текущий контроль. В течение семестра выполняются контрольные работы (решение задач, изложение материала в виде докладов на заданную тему и дискуссия, подготовка рефератов). Выполнение указанных видов работ является обязательным для всех студентов, а результаты текущего контроля служат основанием для выставления оценок в ведомость контрольной недели на факультете.

II. Содержание дисциплины.

2.1. В основу дисциплины положен традиционный курс "Гидрохимия", читаемый в ряде вузов России. Кроме того, определенный уровень знаний по вопросам химии водных растворов студенты приобретают ранее в общих курсах по физической химии, неорганической химии, химической термодинамике. Новизна данного курса заключается в системном подходе к химическим превращениям в природных водах с учетом роли биотических факторов формирования химического состава природных вод. Она дополняется рассмотрением самих превращений на уровне химических форм. Это позволяет, с одной стороны, отразить прямые и обратные связи в системе организмы -окружающая среда, с другой - более конструктивно использовать достижения химии для характеризации состояния вещества и его изменений в природных водах. Близкие направления содержатся в новых курсах смежных дисциплин (напр., "Экологическая геология"), возникших в последние годы в ведущих университетах России (МГУ, СПбГУ) и за рубежом. Это определяет актуальность данного курса для студентов, выбравших специализацию "химия окружающей среды", тем более, что при подготовке химиков в НГУ не предусмотрен курс традиционной гидрохимии.

2.2. Тематический план курса (распределение часов).

2.3. Содержание отдельных разделов и тем.

В разделе 1 рассматриваются теоретические основы гидрохимии: эволюция и современная структура гидросферы; представления В.И.Вернадского о роли живого вещества и его биогеохимических функциях; общая характеристика состава природных вод и факторов его формирования; химические превращения в природных водах.
Тема 1. Экология и гидрохимия
Вода в Биосфере. Происхождение и генетическая взаимосвязь природных вод, гидрологический цикл. Массы и оборачиваемость океанических, подземных, поверхностных вод, вод атмосферы и в организмах. Биогеохимические функции живого вещества (по В.И.Вернадскому). Вода в техносфере. Предмет, объекты и задачи экологической гидрохимии.
Тема 2. Общая характеристика состава природных вод.
Природные воды как многокомпонентный раствор. Свойства воды как растворителя и их значимость для функционирования наземных и водных экосистем. Растворимость газов, минеральных и органических веществ в подземных, поверхностных, почвенных и атмосферных водах, влияние внешних факторов. Классификации природных вод.
Тема 3. Газовый состав природных вод.
Абиотические и биотические факторы формирования газового состава подземных, поверхностных, атмосферных вод. Газовые биогеохимические функции живого вещества. Кислород, азот, диоксид углерода, сероводород, метан в природных водах, аэробные и анаэробные процессы.
Тема 4. Кислотно-основные равновесия в природных водах.
Реакции диссоциации и гидролиза минеральных и органических веществ в сложных водных растворах. Буферная емкость (по рН) и системы ее поддержания в природных водах. Карбонатная система в атмосферных, поверхностных и почвенных водах, связь с продукционно-деструкционными процессами. Пространственная и временная динамика рН в водных экосистемах. Тема 5. Окислительно-восстановительные превращения в природных водах.
Роль окислительно-восстановительных реакций в миграции веществ в природных водах. Потенциал-задающие системы в аэробных и анаэробных условиях, термодинамические и кинетические аспекты. Диаграммы р -рН, формы азота, серы, железа, ртути в природных водах. Влияние биотических процессов на формирование окислительно-восстановительной обстановки в подземных, почвенных, поверхностных водах.
Тема 6. Процессы комплексообразования в природных водах.
Неорганические и органические лиганды в океанических, пресных и почвенных водах. Роль процессов комплексообразования в миграции металлов и их воздействии на живые организмы, пространственная и сезонная динамика. Химико-термодинамическое моделирование состояния растворенных в природных водах веществ на уровне химических форм.

Раздел 2 посвящен более детальному описанию химического состава и факторов его формирования для отдельных разделов гидросферы; специальное внимание уделяется действию биотических процессов. В этом же разделе рассматриваются примеры загрязнений атмосферных осадков, речных, озерных, подземных и океанических вод.
Тема 7. Экологическая гидрохимия атмосферных осадков.
Общая характеристика состава атмосферных осадков и их роли в переносе веществ в Биосфере. Глобальные, региональные и локальные факторы формирования их состава. Ионный состав и кислотность осадков, воздействие техногенеза, проблема "кислотных осаждений". Микрокомпоненты в осадках.
Тема 8. Экологическая гидрохимия рек.
Источники питания и основные процессы формирования речных вод. Пространственная и сезонная динамика минерализации, содержания взвешенных и органических веществ, биогенных элементов и растворенных газов в речных водах. Речной сток в переносе и трансформации веществ в Биосфере. Загрязнения рек, их источники и возможные последствия для наземных и водных экосистем.
Тема 9. Экологическая гидрохимия озер и водохранилищ.
Влияние физико-географических факторов на химический состав озерных вод. Озера как гидроэкосистемы, роль биотических факторов в пространственной и временной динамике химического состава озерных вод. Автохтонные и аллохтонные биогенные вещества. Схемы баланса веществ в озерах и водохранилищах. Оценка продукционно-деструкционных характеристик биогидроценоза по динамике кислорода и рН. Эвтрофирование, причины, последствия.
Тема 10. Грунтовые и артезианские воды.
Факторы формирования химического состава подземных вод. Грунтовые воды выщелачивания и континентального засоления. Зоны активного и затрудненного водообмена. Минерализация, газовый состав и органические вещества в артезианских водах. Макро- и микрокомпоненты соленых и рассольных вод.
Тема 11. Экологическая гидрохимия морей и океанов.
Химический состав океанических и морских вод, связь с соленостью. Гидрохимическая структура океана. Вещественный обмен океанических вод с атмосферой и донными отложениями. Системы химических равновесий в океанических водах, абиотические и биотические факторы. Загрязнения океана, их источники.

Раздел 3 посвящен проблемам экологических последствий загрязнения природных вод.
Тема 12. Химические загрязнения природных вод.
Определение загрязнения гидросферы. Трансформация (на уровне химических форм) загрязняющих веществ в природных водах в зависимости от их состава. Влияние превращений поллютантов на их миграцию и воздействие на водные организмы.
Тема 13. Проблемы нормирования и контроля качества природных вод.
Принципы и методы контроля загрязняющих веществ в окружающей среде. Санитарно-гигиенические и экологические нормативы качества природных вод. Сфера применения существующей системы контроля загрязняющих веществ в гидросфере.
Тема 14. Химико-экологический мониторинг состояния гидроэкосистем.
Понятие состояния гидроэкосистемы. Функционирование гидроэкосистем в естественном и нарушенном состояниях, влияние на процессы формирования качества воды. Научные основы мониторинга (система наблюдений, оценки и прогноза) состояния водных экосистем.

2.4. Перечень примерных контрольных вопросов и задач для самостоятельной работы:
1. В задании приведены конкретные параметры (температура, химический состав, рН и др.) природной воды. Используя классификации природных вод А.И.Перельмана и А.О.Алекина, представьте его в графическом, кодированном и формульном выражении и сделайте заключение о гидрохимическом типе данной воды.
2. По данным химического анализа пробы природной воды выскажите и обоснуйте суждение о месте ее отбора (дождевая, озерная, почвенная, подземная; аридная зона или зона избыточного увлажнения для континентальных вод; для дождевых вод - фоновая или загрязненная территория, характер загрязнения и т.п.)
3. Оцените насыщенность воды в пресном водоеме по СаСО₃ (ПР = 3.8 10-9 ) в придонных слоях (рН = 7.0) и на поверхности (рН = 9.0) при Alkкарб = 1*10^-3 М и [Ca]общ = 5*10^-4 М, приняв значения констант диссоциации Н₂СО₃ : К₁ = 4.3*10^-7, К2 = 4.7*10^-11.
4. Оцените направленность потока СО₂ на границе атмосфера - пресный водоем в летний период при рН, равном 7 и 9, используя значения констант диссоциации Н₂СО₃ : К₁ = 4.3*10^-7, К₂ = 4.7*10^-11, константы Генри k_г = 0.0355 моль дм^-3 атм^-1, р(СО₂) = 3.3*10^-4 атм, Alk_карб = 1*10^-3 М.
5. Рассчитайте равновесное значение рН поверхностной воды, контактирующей с атмосферой, при Alk_карб 1*10^-3 М. В численном расчете используйте значения константы Генри k_г = 0.0355 моль дм^-3 атм^-1, р(СО2) = 3.3*10^-4 атм, К₁ (Н₂СО₃) = 4.3*10^-7. Чем объяснить наблюдаемое на практике в летний период более высокое значение рН на поверхности, и более низкое - в придонных слоях озерных вод?
6. В анаэробных условиях вода с рН = 7.0 находится в равновесии с газовой фазой, содержащей 65% метана и 35% диоксида углерода. Основываясь на справочных данных для реакций

1/8 CO2(g) + H+ + e- = 1/8 CH4(g) + 1/4 H2O	pe0 = + 2.87
Fe3+ + e- = Fe2+	pe0 = + 13.0

рассчитайте соотношение концентраций окисленной и восстановленной форм железа.
7. Оцените соотношение неорганических растворенных форм свинца в пресной воде, содержащей 10^-4 М хлоридов при рН 6 и 8, учитывая возможность образования комплексов PbOH⁺ (lg b₁ = 7.52), PbCl⁺ (lg b₂ = 1.62). Как изменится распределение этих форм при поступлении речной воды в океан ([Cl^-] = 0.55 M)?
8. Рассчитайте концентрацию ионов Cu²⁺ в растворе природной воды приведенного состава с использованием данных по константам устойчивости комплексов с неорганическими лигандами и органическими веществами, валовому содержанию Cu. Принимая, что при pCu > 10 наблюдается угнетение ряда видов фитопланктона, оцените степень токсичности меди в данном водоеме для гидробионтов при рН воды, равном 7 и 9.

3. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

3.1. Примерные темы рефератов (курсовых работ).
1. Концентрационные биогеохимические функции живого вещества (по В.И.Вернадскому), их реализация и роль в цикличности элементов в озерных экосистемах.
2. Сезонная динамика и вертикальная неоднородность продукционно-деструкционных процессов в поверхностных водах как фактор непостоянства их химического состава.
3. Химические формы макро- и микроэлементов в пресных и океанических водах.
4. Окислительно-восстановительные превращения ртути в природных водах и их роль в ее глобальном биогеохимическом цикле.
5. Процессы трансформации органических веществ в ряду поверхностные - грунтовые - подземные воды.
6. Факторы формирования химического состава почвенных вод.
7. Газообмен в системе атмосфера - океан.
8. Зональная неоднородность ионного состава атмосферных осадков.
9. Концепция роли состояния металлов (metal speciation) в их миграции, биодоступности и токсичности для водных организмов.
10. Проблема кислотных выпадений: процессы в атмосфере, на водосборной территории, в водоеме. Эффекты "весеннего кислотного шока" для водотоков и озер.

3.2. Образцы вопросов для подготовки к экзамену
1. Происхождение, эволюция и взаимосвязь вод биосферы, гидрологический цикл. Общая характеристика и факторы формирования химического состава природных вод.
2. Биогеохимические функции живого вещества (по В.И.Вернадскому) и роль биотических процессов в формировании химического состава поверхностных и почвенных вод.
2. Природные воды как многокомпонентные растворы. Принципы классификации природных вод по В.Т.Вернадскому, А.И.Перельману, О.А.Алекину.
3. Газовый состав природных вод, абиотические и биотические факторы формирования.
4. Кислотно-основные равновесия в природных водах. Буферная емкость (по рН) и системы ее поддержания.
5. Карбонатная система в поверхностных водах, связь с биотическими (продукционно-деструкционными) процессами.
6. Окислительно-восстановительные процессы в природных водах, диаграммы ре-рН. Потенциал-задающие системы в аэробных и анаэробных условиях.
7. Роль биотических процессов в формировании окислительно-восстановительной обстановки в поверхностных, почвенных, подземных водах.
8. Процессы комплексообразования в природных водах, их значимость для миграции элементов. Неорганические и органические лиганды в океанических, пресных и почвенных водах.
9. Процессы формирования состава речных вод, роль абиотических и биотических факторов. Минерализация, газовый режим, микроэлементы, растворенное органическое вещество в речных системах. Роль речного стока в биогеохимических циклах элементов в биосфере.
10. Озера как гидроэкосистемы. Влияние абиотических и биотических факторов на пространственную и сезонную динамику состава озерных вод. Баланс веществ в озерных системах. Проблемы эвтрофирования, причины, последствия.
11. Химический состав подземных вод и факторы его формирования. Минерализация, газовый режим, микроэлементы, растворенные органические вещества в подземных водах активного и затрудненного водообмена.
12. Общая характеристика и факторы формирования химического состава атмосферных осадков. Роль атмосферных осадков в переносе веществ в биосфере. Проблема "кислотных дождей".
13. Общая характеристика химического состава морских и океанических вод (ионный состав, растворенные газы, микроэлементы, биогенные вещества, растворенные органические вещества).
14. Вертикальная неоднородность химического состава океанических вод в связи с неоднородностью продукционно-деструкционных процессов.
15. Принципы нормирования качества пресных вод с санитарно-гигиенических и экологических позиций.

3.3. Список основной литературы
1. Никаноров А.М. Гидрохимия. (1989).Л.: Гидрометеоиздат. 351 с.
2. Алекин О.А., Ляхин Ю.И. Химия океана. (1984) Л.: Гидрометеоиздат. 343 с.
3. Перельман А.И. Геохимия природных вод. (1982).М.:"Наука". 151 с.
4. Мур Дж.В., Рамамурти С. Тяжелые металлы в природных водах. (1987) М.: Мир. 286 с.
5. Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов. Книги 1-5. (1994-1996) М.: Недра.
6. Стебаев И.В., Пивоварова Ж.Ф., Смоляков Б.С., Неделькина С.В. Биогеосистемы лесов и вод России. (1993) Новосибирск: Наука. 347 с.
7. Богдановский Г.А. Химическая экология. (1994). М.: Изд. МГУ. 237 с.
8. Исидоров В.А. Экологическая химия. (2001). С.-Пет., Химиздат, 303 с.

3.4. Список дополнительной литературы
1. Тинсли И. Поведение химических загрязнителей в окружающей среде. (1982). М.: Мир, 280 с.
2. Зайков Г.Е., Маслов С.А., Рубайло В.Л. Кислотные дожди и окружающая среда. (1991) Л.: Гидрометеоиздат.
3. Смоляков Б.С. Проблема кислотных выпадений в Западной Сибири. // Химия в интересах устойчивого развития. 10 (2002) 521-545.
4. Линник П.Н., Набиванец Б.И. Формы миграции металлов в природных поверхностных водах. (1986). Л.: Гидрометеоиздат. 286 с.
5. Некоторые вопросы токсичности ионов металлов. Ред. Х.Зигель, А.Зигель. (1993) М.: Мир. 368 с.
6. Экологическое нормирование и моделирование антропогенного воздействия на водные экосистемы. Вып. 1.Ред. А.М.Никаноров.(1988). Л.: Гидрометеоиздат.
7. Смоляков Б.С., Жигула М.В., Рыжих А.П. и др. Поведение различных форм меди (II) в пресноводной экосистеме. // Водные ресурсы. (20040. т. 31, № 1, с. 60-68.