الكيمياء البيئية: مجال الدراسة والتطبيقات - بيئة - 2024

في الكيمياء البيئية يدرس العمليات الكيميائية التي تحدث على المستوى البيئي. إنه علم يطبق المبادئ الكيميائية لدراسة الأداء البيئي والآثار الناتجة عن الأنشطة البشرية.

بالإضافة إلى ذلك ، تصمم الكيمياء البيئية تقنيات الوقاية والتخفيف والمعالجة للأضرار البيئية الحالية.

الشكل 1. رسم تخطيطي للغلاف الجوي الأرضي والغلاف المائي والغلاف الصخري والغلاف الحيوي. المصدر: بوجانا بتروفيتش ، من ويكيميديا ​​كومنز

يمكن تقسيم الكيمياء البيئية إلى ثلاثة تخصصات أساسية هي:

1. الكيمياء البيئية للغلاف الجوي.
2. الكيمياء البيئية للغلاف المائي.
3. الكيمياء البيئية للتربة.

يتطلب النهج الشامل للكيمياء البيئية بالإضافة إلى ذلك دراسة العلاقات المتبادلة بين العمليات الكيميائية التي تحدث في هذه الأجزاء الثلاثة (الغلاف الجوي والغلاف المائي والتربة) وعلاقاتها مع المحيط الحيوي.

الكيمياء البيئية للغلاف الجوي

الغلاف الجوي هو طبقة الغازات التي تحيط بالأرض. إنه يشكل نظامًا معقدًا للغاية ، حيث تختلف درجة الحرارة والضغط والتركيب الكيميائي مع الارتفاع في نطاقات واسعة جدًا.

تقصف الشمس الغلاف الجوي بالإشعاع والجسيمات عالية الطاقة ؛ هذه الحقيقة لها تأثيرات كيميائية كبيرة للغاية في جميع طبقات الغلاف الجوي ، ولكن على وجه الخصوص ، في الطبقات العليا والخارجية.

-ستراتوسفير

تحدث تفاعلات التفكك الضوئي والتأين الضوئي في المناطق الخارجية من الغلاف الجوي. في المنطقة التي يتراوح ارتفاعها بين 30 و 90 كم تقاس من سطح الأرض ، في الستراتوسفير ، توجد طبقة تحتوي أساسًا على الأوزون (O ₃) ، تسمى طبقة الأوزون.

طبقة الاوزون

يمتص الأوزون الأشعة فوق البنفسجية عالية الطاقة التي تأتي من الشمس ، ولولا وجود هذه الطبقة ، فلن تتمكن أي أشكال حياة معروفة على الكوكب من البقاء.

في عام 1995 ، فاز كيميائيو الغلاف الجوي ماريو جيه مولينا (مكسيكي) وفرانك س. رولاند (أمريكي) وبول كروتزن (هولندي) بجائزة نوبل في الكيمياء لأبحاثهم حول تدمير واستنفاد الأوزون في الستراتوسفير.

الشكل 2. مخطط استنفاد في طبقة الأوزون. من nasa.gov

في عام 1970 أظهر كروتزن أن أكاسيد النيتروجين تدمر الأوزون من خلال التفاعلات الكيميائية التحفيزية. بعد ذلك ، أظهر مولينا ورولاند في عام 1974 أن الكلور في مركبات الكربون الكلوروفلوروكربونية (CFC) قادر أيضًا على تدمير طبقة الأوزون.

-تروبوسفير

تتكون طبقة الغلاف الجوي القريبة من سطح الأرض ، التي يتراوح ارتفاعها بين 0 و 12 كم ، والتي تسمى طبقة التروبوسفير ، بشكل أساسي من النيتروجين (N ₂) والأكسجين (O ₂).

الغازات السامة

نتيجة للأنشطة البشرية ، تحتوي طبقة التروبوسفير على العديد من المواد الكيميائية الإضافية التي تعتبر ملوثات للهواء مثل:

• ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون (CO ₂ و CO).
• الميثان (CH ₄).
• أكسيد النيتروجين (NO).
• ثاني أكسيد الكبريت (SO ₂).
• الأوزون O ₃ (يعتبر ملوثًا في طبقة التروبوسفير)
• المركبات العضوية المتطايرة (VOC's) أو المساحيق أو الجسيمات الصلبة.

من بين العديد من المواد الأخرى التي تؤثر على صحة الإنسان والنبات والحيوان.

أمطار حمضية

تسبب أكاسيد الكبريت (SO ₂ و SO ₃) وأكاسيد النيتروجين مثل أكسيد النيتروز (NO ₂) مشكلة بيئية أخرى تسمى المطر الحمضي.

تتفاعل هذه الأكاسيد ، الموجودة في طبقة التروبوسفير بشكل أساسي كمنتجات لاحتراق الوقود الأحفوري في الأنشطة الصناعية والنقل ، مع مياه الأمطار التي تنتج حامض الكبريتيك وحمض النيتريك ، مع الترسيب الحمضي الناتج.

الشكل 3. مخطط المطر الحمضي. المصدر: Alfredsito94 ، من ويكيميديا ​​كومنز

من خلال ترسيب هذا المطر الذي يحتوي على أحماض قوية ، فإنه يتسبب في العديد من المشكلات البيئية مثل تحمض البحار والمياه العذبة. هذا يسبب موت الكائنات المائية. تحمض التربة الذي يتسبب في موت المحاصيل وتدمير المواد الكيميائية المسببة للتآكل للمباني والجسور والآثار.

المشاكل البيئية الأخرى في الغلاف الجوي هي الضباب الدخاني الكيميائي الضوئي ، الناجم بشكل رئيسي عن أكاسيد النيتروجين وأوزون التروبوسفير.

الاحتباس الحراري

وتنتج ظاهرة الاحتباس الحراري عن طريق تركيزات عالية من الغلاف الجوي CO ₂ وغيره من غازات الدفيئة، والتي تمتص جزءا كبيرا من الأشعة تحت الحمراء التي تنبعث من سطح الحرارة وفخ الأرض في طبقة التروبوسفير. هذا يولد تغير المناخ على هذا الكوكب.

الكيمياء البيئية للغلاف المائي

يتكون الغلاف المائي من جميع المسطحات المائية على الأرض: السطح أو الأراضي الرطبة - المحيطات والبحيرات والأنهار والينابيع - والجوفية أو طبقات المياه الجوفية.

-مياه عذبة

الماء هو المادة السائلة الأكثر شيوعًا على هذا الكوكب ، فهو يغطي 75٪ من سطح الأرض وهو ضروري للغاية للحياة.

تعتمد جميع أشكال الحياة على المياه العذبة (تُعرف بأنها مياه ذات محتوى ملح أقل من 0.01٪). 97٪ من المياه الموجودة على الكوكب هي مياه مالحة.

من نسبة 3٪ المتبقية من المياه العذبة ، 87٪ في:

• أقطاب الأرض (التي تذوب وتتدفق في البحار بسبب الاحتباس الحراري).
• الأنهار الجليدية (أيضًا في طور الاختفاء).
• مياه جوفية.
• ماء على شكل بخار موجود في الغلاف الجوي.

فقط 0.4٪ من إجمالي المياه العذبة على كوكب الأرض متاحة للاستهلاك. يوفر تبخر المياه من المحيطات والأمطار باستمرار هذه النسبة الصغيرة.

تدرس الكيمياء البيئية للمياه العمليات الكيميائية التي تحدث في دورة المياه أو الدورة الهيدرولوجية وتطور أيضًا تقنيات لتنقية المياه للاستهلاك البشري ، ومعالجة مياه الصرف الصناعي والحضري ، وتحلية مياه البحر ، وإعادة التدوير وحفظ هذا المورد ، من بين أمور أخرى.

-دورة المياه

تتكون دورة المياه على الأرض من ثلاث عمليات رئيسية: التبخر ، والتكثيف ، والهطول ، والتي تُشتق منها ثلاث دوائر:

1. الجريان السطحي
2. تبخر النبات
3. التسرب ، الذي يمر فيه الماء إلى مستويات تحت الأرض (phreatic) ، يدور عبر قنوات الخزان الجوفي ويترك عبر الينابيع أو النوافير أو الآبار.

الشكل 4. دورة المياه. المصدر: Wasserkreislauf.png: from: Benutzer: Jooooderivative work: moyogo، via Wikimedia Commons

- التأثيرات الأنثروبولوجية على دورة المياه

النشاط البشري له تأثيرات على دورة المياه ؛ بعض أسباب وتأثيرات العمل الأنثروبولوجي هي كما يلي:

تعديل سطح الأرض

يتم إنشاؤه عن طريق تدمير الغابات والحقول مع إزالة الغابات. يؤثر هذا على دورة المياه من خلال القضاء على التبخر (امتصاص الماء من النباتات والعودة إلى البيئة عن طريق العرق والتبخر) وعن طريق زيادة الجريان السطحي.

تؤدي الزيادة في الجريان السطحي إلى زيادة في تدفق الأنهار والفيضانات.

كما أن التحضر يعدل سطح الأرض ويؤثر على دورة المياه ، حيث يتم استبدال التربة المسامية بإسمنت وإسفلت غير منفذين ، مما يجعل التسلل مستحيلاً.

تلوث دورة المياه

تتضمن دورة المياه المحيط الحيوي بأكمله ، وبالتالي ، يتم دمج النفايات الناتجة عن الإنسان في هذه الدورة من خلال عمليات مختلفة.

يتم دمج الملوثات الكيميائية الموجودة في الهواء في المطر. المواد الكيميائية الزراعية المطبقة على التربة ، تعاني من تسرب السوائل إلى طبقات المياه الجوفية ، أو تصب في الأنهار والبحيرات والبحار.

كما يتم نقل مخلفات الدهون والزيوت والرشح من المكبات الصحية عن طريق التسرب إلى المياه الجوفية.

استخراج موارد المياه بالسحب على موارد المياه

تؤدي ممارسات السحب على المكشوف هذه إلى استنفاد احتياطيات المياه الجوفية والمياه السطحية ، وتؤثر على النظم البيئية وتنتج هبوطًا محليًا للتربة.

الكيمياء البيئية للتربة

تعتبر التربة من أهم العوامل في توازن المحيط الحيوي. أنها توفر المرسى والمياه والمغذيات للنباتات ، التي هي منتجة في سلاسل التغذية الأرضية.

التربة

يمكن تعريف التربة على أنها نظام بيئي معقد وديناميكي من ثلاث مراحل: المرحلة الصلبة مع الدعم المعدني والعضوي ، المرحلة السائلة المائية والمرحلة الغازية ؛ تتميز بوجود حيوانات ونباتات معينة (بكتيريا ، فطريات ، فيروسات ، نباتات ، حشرات ، نيماتودا ، طفيليات).

يتم تعديل خصائص التربة باستمرار حسب الظروف البيئية والنشاط البيولوجي الذي يتطور فيها.

التأثيرات الأنثروبولوجية على التربة

تدهور التربة هو عملية تقلل من القدرة الإنتاجية للتربة ، وهي قادرة على إحداث تغيير عميق وسلبي في النظام البيئي.

العوامل التي تؤدي إلى تدهور التربة هي: المناخ ، وعلم وظائف الأعضاء ، وعلم الصخور ، والغطاء النباتي ، والعمل البشري.

الشكل 5. التربة المتدهورة. المصدر: pexels.com

بفعل الإنسان يمكن أن يحدث:

• التدهور المادي للتربة (على سبيل المثال ، الضغط من ممارسات الزراعة وتربية المواشي غير السليمة).
• التدهور الكيميائي للتربة (التحمض ، القلوية ، الملوحة ، التلوث بالمواد الكيميائية الزراعية ، النفايات السائلة من النشاط الصناعي والحضري ، الانسكابات النفطية ، من بين أمور أخرى).
• التدهور البيولوجي للتربة (انخفاض في محتوى المادة العضوية ، تدهور الغطاء النباتي ، فقدان الكائنات الدقيقة المثبتة للنيتروجين ، من بين أمور أخرى).

العلاقة الكيميائية - البيئية

تدرس الكيمياء البيئية العمليات الكيميائية المختلفة التي تحدث في الأقسام البيئية الثلاثة: الغلاف الجوي والغلاف المائي والتربة. من المثير للاهتمام مراجعة نهج إضافي على نموذج كيميائي بسيط ، والذي يحاول شرح عمليات النقل العالمية للمادة التي تحدث في البيئة.

-نموذج جاريلز و ليرمان

طور جاريلز و ليرمان (1981) نموذجًا مبسطًا للكيمياء الحيوية لسطح الأرض ، والذي يدرس التفاعلات بين أجزاء الغلاف الجوي والغلاف المائي وقشرة الأرض والمحيط الحيوي المشمول.

يعتبر نموذج جاريلز و ليرمان سبعة معادن رئيسية مكونة للكوكب

1. الجبس (CaSO ₄)
2. بيريت (FeS ₂)
3. كربونات الكالسيوم (CaCO ₃)
4. كربونات المغنيسيوم (MgCO ₃)
5. سيليكات المغنيسيوم (MgSiO ₃)
6. أكسيد الحديديك (Fe ₂ O ₃)
7. ثاني أكسيد السيليكون (SiO ₂)

يتم تمثيل المادة العضوية المكونة للمحيط الحيوي (الحية والميتة) على أنها CH ₂ O ، وهو التركيب المتكافئ التقريبي للأنسجة الحية.

في نموذج جاريلز و ليرمان ، تمت دراسة التغيرات الجيولوجية على أنها عمليات نقل صافية للمادة بين هذه المكونات الثمانية للكوكب ، من خلال التفاعلات الكيميائية والتوازن الصافي للحفاظ على الكتلة.

تراكم ثاني أكسيد الكربون

على سبيل المثال، فإن مشكلة تراكم CO ₂ ودرس في الغلاف الجوي في هذا النموذج، قائلا إن: نحن حرق حاليا الكربون العضوي المخزنة في المحيط الحيوي كما الفحم والنفط والغاز الطبيعي المودعة في باطن الأرض في العصور الجيولوجية الماضي.

ونتيجة لهذا حرق المكثف للوقود الأحفوري، وتركيز الغلاف الجوي CO ₂ آخذ في الازدياد.

الزيادة في CO ₂ تركيزات هي في الغلاف الجوي للأرض يرجع ذلك إلى حقيقة أن معدل احتراق الكربون الأحفوري يتجاوز معدل امتصاص الكربون من المكونات الأخرى للنظام البيولوجية الكيميائية للأرض (مثل الكائنات الضوئي و الغلاف المائي ، على سبيل المثال).

وبهذه الطريقة، وانبعاث CO ₂ في الغلاف الجوي بسبب الأنشطة البشرية، يتجاوز النظام التنظيمي الذي ينظم تغييرات على الأرض.

حجم المحيط الحيوي

يعتبر النموذج الذي طوره جاريلز وليرمان أيضًا أن حجم المحيط الحيوي يزداد وينقص نتيجة التوازن بين التمثيل الضوئي والتنفس.

خلال تاريخ الحياة على الأرض ، ازدادت كتلة المحيط الحيوي على مراحل مع ارتفاع معدلات التمثيل الضوئي. أدى ذلك إلى تخزين صافي للكربون العضوي وانبعاث الأكسجين:

CO ₂ + H ₂ O → CH ₂ O + O ₂

التنفس كنشاط استقلابي للكائنات الحية الدقيقة والحيوانات العليا ، يحول الكربون العضوي مرة أخرى إلى ثاني أكسيد الكربون (CO ₂) والماء (H ₂ O) ، أي أنه يعكس التفاعل الكيميائي السابق.

يعد وجود الماء وتخزين الكربون العضوي وإنتاج الأكسجين الجزيئي أمرًا أساسيًا لوجود الحياة.

تطبيقات الكيمياء البيئية

تقدم الكيمياء البيئية حلولاً للوقاية من الأضرار البيئية التي يسببها النشاط البشري وتخفيفها وعلاجها. من بين بعض هذه الحلول يمكن أن نذكر:

• تصميم مواد جديدة تسمى MOF's (الهياكل العضوية المعدنية). هذه هي مسامية جدا ولها القدرة على: استيعاب والاحتفاظ بها CO ₂ ، يجب الحصول H ₂ O من بخار الهواء في المناطق الصحراوية ومتجر H ₂ في حاويات صغيرة.
• تحويل المخلفات إلى مواد أولية. على سبيل المثال ، استخدام الإطارات البالية في إنتاج العشب الصناعي أو نعال الأحذية. وكذلك استخدام نفايات تقليم المحاصيل في إنتاج الغاز الحيوي أو الإيثانول الحيوي.
• التوليفات الكيميائية لبدائل مركبات الكربون الكلورية فلورية.
• تطوير طاقات بديلة ، مثل خلايا الهيدروجين ، لتوليد كهرباء غير ملوثة.
• السيطرة على تلوث الغلاف الجوي باستخدام المرشحات الخاملة والمرشحات التفاعلية.
• تحلية مياه البحر بالتناضح العكسي.
• تطوير مواد جديدة لتلبد المواد الغروانية المعلقة في الماء (عملية التنقية).
• عكس عملية التخثث في البحيرة.
• تطوير "الكيمياء الخضراء" ، وهو اتجاه يقترح استبدال المركبات الكيميائية السامة بمركبات أقل سمية ، وإجراءات كيميائية "صديقة للبيئة". على سبيل المثال ، يتم تطبيقه في استخدام مذيبات ومواد خام أقل سمية ، في الصناعة ، في التنظيف الجاف للمغاسل ، من بين أمور أخرى.

المراجع

1. كالفيرت ، جي جي ، لازروس ، إيه ، كوك ، جي إل ، هايكس ، بي جي ، واليجا ، جي جي ، ليند ، جيه ، وكانتريل ، كاليفورنيا (1985). الآليات الكيميائية لتوليد الحمض في طبقة التروبوسفير. الطبيعة ، 317 (6032) ، 27-35. دوى: 10.1038 / 317027a0.
2. كروتزن ، بي جيه (1970). تأثير أكاسيد النيتروجين على محتوى الغلاف الجوي. QJR ميثورول. شركة Soc. Wiley-Blackwell. 96: 320-325.
3. جاريلز ، آر إم و ليرمان أ. (1981) دورات دهر الحياة من الكربون والكبريت الرسوبية. وقائع الأكاديمية الطبيعية للعلوم. الولايات المتحدة الأمريكية 78: 4652-4656.
4. هيستر ، ري وهاريسون ، آر إم (2002). التغير البيئي العالمي. الجمعية الملكية للكيمياء. ص 205.
5. هايتس ، را (2007). عناصر الكيمياء البيئية. وايلي Interscience. ص 215.
6. ماناهان ، سي (2000). الكيمياء البيئية. الطبعة السابعة. اتفاقية حقوق الطفل. ص 876
7. مولينا ، إم جي ورولاند ، FS (1974). حوض الستراتوسفير لمركبات الكلوروفلور ميثان: ذرات الكلور - التدمير المحفز للأوزون. طبيعة. 249: 810-812.
8. موريل ، إف إم وهرينغ ، جي إم (2000). مبادئ وتطبيقات الكيمياء المائية. نيويورك: جون وايلي.
9. Stockwell ، WR ، Lawson ، CV ، Saunders ، E. ، and Goliff ، WS (2011). استعراض كيمياء الغلاف الجوي التروبوسفير والآليات الكيميائية لمرحلة الغاز لنمذجة جودة الهواء. الغلاف الجوي ، 3 (1) ، 1–32. دوى: 10.3390 / atmos3010001