stringtranslate.com

Загрязнение аммиаком

Расчетное увеличение среднегодовой поверхностной концентрации твердых частиц в результате выбросов аммиака, связанных с экспортом продовольствия
Лишайник Bryoria fuscescens, чувствительный к загрязнению аммиаком.

Загрязнение аммиаком — это загрязнение химическим аммиаком (NH3 ) — соединением азота и водорода , которое является побочным продуктом сельского хозяйства и промышленности. Обычные формы включают загрязнение воздуха аммиачным газом, выделяемым гниющими сельскохозяйственными жидкими отходами и заводами по производству удобрений , в то время как естественные источники включают горящие угольные шахты Джарии , едкое озеро Натрон и гуано колоний морских птиц. Газообразный аммиак реагирует с другими загрязняющими веществами в воздухе, образуя мелкие частицы солей аммония , которые влияют на дыхание человека. Газообразный аммиак также может влиять на химию почвы, на которой он оседает, и, например, ухудшает условия, необходимые для сфагнового мха и вереска торфяников . [1] [2] [3] [4]

Аммиак также влияет на водные экосистемы и снижает биоразнообразие. [5] Аммиак токсичен для водной флоры и фауны, что приводит к увеличению количества погибших рыб. [6] Загрязнение аммиаком также приводит к эвтрофикации. Эвтрофикация — это рост водорослей, которые убивают другие водные организмы и создают мертвые зоны. Загрязнение аммиаком по-разному влияет на пресноводные и соленые водные экосистемы из-за физических и химических различий.

Обнаружение аммиака облегчается за счет использования фильтрующих пакетов и тканевых денудеров (газоотделителей). Также используются такие методы, как спутниковая съемка и анализ дождевой воды. [7] Многое еще неизвестно о влиянии загрязнения аммиаком, но растущие темпы выбросов беспокоят ученых. Уровень аммиака в атмосфере был более чем в два раза выше в 2010 году, чем в 1940 году. [8] Аммиак в настоящее время признан многими странами основным загрязнителем, и некоторые из них начали принимать меры по ограничению своих выбросов. [7]

Источники

В таблице ниже перечислены источники загрязнения аммиаком и их процентный вклад в глобальные выбросы аммиака. Источники также классифицируются как антропогенные (вызванные деятельностью человека) или естественные.

Эффекты

Аммиак снижает биоразнообразие наземных и водных экосистем , а также образует в атмосфере аэрозоли , которые при вдыхании могут вызывать осложнения для здоровья человека.

Биоразнообразие

Газообразные выбросы аммиака попадают в почву и воду Земли как через влажные, так и через сухие отложения . Водный аммиак, другая форма соединения, может просачиваться непосредственно в почву или попадать в водные экосистемы. Как наземное, так и водное загрязнение аммиаком снижает биоразнообразие, в основном за счет процесса нитрификации .

Земные эффекты

В наземных условиях аммиак повышает кислотность почвы (снижение pH) и вызывает эвтрофикацию (переизбыток питательных веществ). Оба эти явления являются прямым результатом нитрификации. В этом процессе аммиак преобразуется в нитрат бактериями (обычно родов Nitrosomonas и Nitrobacter ), выполняя следующую двухэтапную реакцию:

Шаг 1: Аммиак (NH 3 ) окисляется до нитрита (NO 2 − ) путем:

Шаг 2: Нитрит (NO 2 − ) окисляется до нитрата (NO 3 − )

Продукты этой реакции включают ионы водорода (H + ) , которые снижают pH почвы и приводят к закислению. Повышенная кислотность почвы в экосистеме приводит к снижению защиты от низких температур, засухи, болезней и инвазивных видов. Другой продукт, нитрат (NO 3 − ), является ключевым питательным веществом для роста растений. Этот избыток нитрата от нитрификации аммиака благоприятствует нитрофильным растениям (тем, которые предпочитают высокие концентрации нитрата) и невыгоден другим. Например, увеличение популяций нитрофильных растений затеняет другие растения от необходимого солнечного света. Чувствительные группы растений, такие как лишайники и мхи , особенно восприимчивы к загрязнению аммиаком, и в основном страдают такие среды обитания, как болота , торфяники , луга , пустоши и леса . [17] [18]

У скота высокие концентрации аммиака связаны с асцитом, желудочно-кишечным раздражением и респираторными заболеваниями. Эти проблемы легко наблюдать у домашней птицы, особенно у индеек. Было показано, что у индеек раздражение трахеи при 10 ppm, а при более чем 20 ppm у них повышается уровень заражения болезнью Ньюкасла. Выше 25 ppm снижается скорость роста и масса тела. Выше 50 ppm повышается уровень кератоконъюнктивита и трахеита. Такие осложнения трахеи и легких делают индеек более склонными к заражению инфекциями, такими как E. coli. [19]

Водные эффекты

Аммиак проникает в водную экосистему разными путями из антропогенных (сточные воды, удобрения и промышленные отходы) и природных (фиксация азота и осаждение из воздуха) источников. [20] Аммиак токсичен для большинства водных организмов, включая рыб, кораллы и планктонных ракообразных. [21] Аммиак может иметь 2 различные формы в воде.

Эта реакция показывает, как аммиак превращается в аммоний в воде и генерирует гидроксид-ион. Форма, которую аммиак принимает в воде, также зависит от pH и температуры. В более щелочных водах содержится больше аммиака по сравнению с количеством аммония. [21] Аммиак напрямую токсичен для водной флоры и фауны, тогда как аммоний — нет. Это связано с тем, что аммиак может диффундировать через клеточные мембраны, а аммоний — нет. [22] Это означает, что чем более щелочная вода, тем более токсичным будет загрязнение аммиаком для водной флоры и фауны.

Эффекты пресной воды

Пресноводные системы обычно ограничены азотом. [23] Это означает, что увеличение азота в пресноводных экосистемах может увеличить первичную продуктивность растений и водорослей. Когда в воду добавляется слишком много азота, водоросли в воде могут увеличить свою продукцию так быстро, что происходит эвтрофикация . [24] Эвтрофикация — это увеличение роста водорослей, которое приводит к уменьшению количества растворенного в воде кислорода. Это уменьшение создает гипоксические воды, которые вызывают гибель других водных организмов, таких как рыбы. Это уменьшает количество биоразнообразия в водах, где это происходит. [5]

Аммиак также напрямую токсичен для рыб, и по мере увеличения количества аммиака, тем больше его накапливается в их телах, и животным становится сложнее выводить его из своих тел. Пресные воды, как правило, имеют широкий диапазон значений pH от 6,5 до 9. [25] Пресные воды с более высоким pH будут более чувствительны к увеличению аммиака из-за баланса между аммиаком и аммонием, и водная жизнь будет больше затронута. Аммиак вызывает стресс у рыб и повреждает внутренние органы, что в конечном итоге приведет к смерти. [6]

Воздействие соленой воды

Системы с соленой водой также обычно ограничены азотом. Эвтрофикация также может происходить в соленой воде из-за увеличения доступного аммиака, однако она более распространена в пресных водах, поскольку они имеют ограниченную циркуляцию и более мелкие воды. [26] pH океана, как правило, составляет около 8,1, что означает, что аммония больше, чем аммиака, однако, когда pH увеличивается, как это происходит, когда первичные показатели продукции высоки, аммиак становится более обильным. Это также означает, что существует больше токсических эффектов, чем в пресной воде, которая может быть более кислой.

Аммиак в экосистемах соленой воды будет иметь такое же воздействие на рыб, как и аммиак в пресноводных экосистемах. Еще одно водное животное, на которое влияет увеличивающееся количество аммиака, — это кораллы . Кораллы очень важны для разнообразия в океанах, а увеличивающаяся концентрация аммиака в воде вредит бактериям, которые находятся на кораллах. [27] Кораллы и бактерии находятся в симбиотических отношениях, и гибель бактерий приводит к обесцвечиванию кораллов и их гибели. Кораллы поддерживают биоразнообразие в океане, а потеря коралловых рифов приводит к сокращению биоразнообразия.

Здоровье человека

Помимо воздействия на экосистемы, загрязнение аммиаком представляет значительную опасность для здоровья человека. Газообразный аммиак, который не осаждается, образует аэрозоли, соединяясь с другими выбросами, такими как диоксид серы (SO 2 ) и оксиды азота (NO X ). Атмосферные реакции между диоксидом серы, оксидами азота, промежуточными продуктами и другими газами в конечном итоге приводят к образованию нитрата аммония (NH 4 NO 3 ) и бисульфата аммония (NH 4 HSO 4 ) следующим образом:

Эти полученные аэрозоли аммония (NH 4 ) классифицируются как мелкие твердые частицы (PM2.5 или твердые частицы размером менее 2,5 микрон). Небольшой размер частиц PM2.5 позволяет им попадать в легкие и кровоток через вдыхание. Затем частицы аммония могут вызывать осложнения, включая астму , рак легких , сердечно-сосудистые проблемы, врожденные дефекты и преждевременную смерть у людей. Более мелкие частицы аммония PM2.5 также могут перемещаться на большие расстояния (100–1000 км) по сравнению с непрореагировавшим аммиаком (менее 10–100 км) в атмосфере. [4] Некоторые страны, такие как Китай, сосредоточились на сокращении выбросов SO 2 и NO X , однако повышенное загрязнение NH 3 по-прежнему приводит к образованию PM2.5 и снижает качество воздуха. [28] Несмотря на усилия по сокращению выбросов диоксида серы и оксидов азота, постоянное присутствие загрязнения аммиаком продолжает создавать проблемы для управления качеством воздуха, особенно в густонаселенных районах, таких как городские центры [29]

Методы мониторинга

Загрязнение аммиаком чаще всего измеряется по его присутствию в атмосфере. Он не имеет автоматической системы реле, как и другие измерения загрязняющих веществ, такие как углекислый газ ; поэтому образцы аммиака должны собираться другими методами, включая фильтр-пакеты, тканевые денудеры, спутниковую съемку и анализ дождевой воды.

Фильтр-пакеты

Фильтрующие элементы состоят из воздушного насоса, оснащенного фильтром из тефлона и стекловолокна . Насос всасывает воздух, а фильтры удаляют частицы аммиака. Фильтр из тефлона и стекловолокна покрыт лимонной кислотой , которая реагирует со слабощелочными частицами аммиака. Эта реакция по сути «склеивает» аммиак на месте. Позже фильтр тестируется с помощью реагента Несслера (индикатор аммиака), а спектрофотометр считывает количество присутствующего аммиака. [30]

Деньдеры тканей

Тканевые денюдеры работают посредством пассивного отбора проб (насос не используется, а сбор зависит только от потока воздуха). Труба, оснащенная тканевыми фильтрами с обеих сторон, служит туннелем для диффузии воздуха. Ткань покрыта фосфорной кислотой , которая притягивает аммиачный газ (основание). Воздух проходит через трубу, и аммиак прилипает к фильтрам, которые затем можно проверить на концентрацию NH 3 с помощью реагента Несслера и спектрофотометра. [30]

Спутниковые снимки

Системы спутников измеряют газовые сигнатуры в атмосфере с течением времени. Сигнатура аммиака нанесена на карту, давая оценку его распространенности в воздухе и где он наиболее сконцентрирован. НАСА использует спутниковые изображения для мониторинга выбросов аммиака с 2008 года. [7]

Анализ дождевой воды

Ведра дождя собираются, а затем проверяются на наличие аммиака с использованием описанных выше методов. Это обеспечивает концентрацию аммиачного газа, удерживаемого в атмосферном водяном паре. [7]

Правила

Хотя аммиак в настоящее время признан потенциально опасным загрязнителем воздуха, только некоторые страны предприняли дальнейшие действия по сокращению своих выбросов. Стратегии сокращения в основном сосредоточены на контроле сельскохозяйственных практик. В частности, методы ведения сберегающего сельского хозяйства могут сократить выбросы аммиака. [31]

Политика

Европейский союз с 1999 года принял две политики по предотвращению загрязнения аммиаком. К ним относятся Гётеборгский протокол (1999) и Директива по комплексной защите и контролю загрязнений (1999). Директива о национальных потолках выбросов также была введена в действие ЕС в 2001 году для дальнейшего сокращения выбросов NH 3. Гётеборгский протокол был пересмотрен в 2012 году, чтобы установить новые, более строгие, потолочные ограничения на аммиак до 2020 года и включить все страны ЕС-27. Соединенное Королевство , в частности, объявило, что планирует сократить выбросы на 16% к 2030 году, однако никаких новых политик не было принято. [32]

Правила загрязнения аммиаком в основном сосредоточены на смягчении последствий за счет улучшения методов ведения сельского хозяйства. Одно из предлагаемых изменений заключается в хранении навоза и удобрений в больших резервуарах для хранения, чтобы предотвратить сток и испарение в воздух. Другая стратегия заключается в кормлении скота рационами с меньшим содержанием белка. Это приведет к тому, что меньше азотных белков (включая аммиак) окажется в навозе. Последняя идея заключается в использовании меньшего количества удобрений на основе мочевины и аммония, которые склонны к испарению в аммиак. [9] [32]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Ван Дамм, Мартин; Кларисс, Ливен (5 декабря 2018 г.), «Промышленные и сельскохозяйственные точечные источники аммиака подверглись воздействию» (PDF) , Nature , 564 (7734): 99–103, Bibcode : 2018Natur.564...99V, doi : 10.1038/s41586-018-0747-1, PMID  30518888, S2CID  54458643
  2. ^ Саттон, Марк А.; Ховард, Клэр М. (5 декабря 2018 г.), «Спутник определяет источники аммиака во всем мире», Nature , 564 (7734): 49–50, Bibcode : 2018Natur.564...49S, doi : 10.1038/d41586-018-07584-7, PMID  30518893
  3. ^ Марк Саттон; Стефан Рейс; Саманта Бейкер, ред. (2008), Атмосферный аммиак , Springer, ISBN 9781402091216
  4. ^ ab "Аммиак | Система информации о загрязнении воздуха". www.apis.ac.uk . Получено 15.11.2020 .
  5. ^ ab Ван, Хуан; Гарсия Молинос, Хорхе; Хейно, Яни; Чжан, Хуан; Чжан, Пэйюй; Сюй, Цзюнь (2021-08-01). «Эвтрофикация приводит к потере биоразнообразия беспозвоночных и снижает соответствие кросс-таксонов в антропогенно нарушенных озерах». Environment International . 153 : 106494. doi : 10.1016/j.envint.2021.106494 . ISSN  0160-4120. PMID  33882434.
  6. ^ ab Services, Департамент сельского хозяйства и потребителей Флориды. "Департамент сельского хозяйства и потребительских услуг Флориды". www.fdacs.gov . Получено 15 апреля 2024 г.
  7. ^ abcdefg Plautz, Jason (2018-09-13). «Аммиак, плохо изученный ингредиент смога, может стать ключом к ограничению смертельно опасного загрязнения». Science . doi :10.1126/science.aav3862. ISSN  0036-8075. S2CID  133673554.
  8. ^ abc Bauer, Susanne E.; Tsigaridis, Kostas; Miller, Ron (2016). «Значительное загрязнение атмосферного аэрозоля, вызванное выращиванием продовольствия в мире». Geophysical Research Letters . 43 (10): 5394–5400. Bibcode : 2016GeoRL..43.5394B. doi : 10.1002/2016GL068354 . ISSN  1944-8007.
  9. ^ ab "Удивительный способ, которым пары с ферм вредят нашему здоровью". Ensia . Получено 2020-11-14 .
  10. ^ ab Del Moro, Sarah; Holcomb, Jess; Horneck, Don; Sullivan, Dan. (2013). Улетучивание аммиака [презентация PowerPoint]. Центр сельскохозяйственных исследований и распространения знаний Hermiston, Орегон. https://extension.oregonstate.edu/sites/default/files/documents/1/delmorofarmfairnh3.pdf
  11. ^ Vechi, NT; Mellqvist, J.; Samuelsson, J.; Offerle, B.; Scheutz, C. (2023-01-15). «Выбросы аммиака и метана от операций по концентрированному кормлению животных молочными фермами в Калифорнии с использованием мобильного оптического дистанционного зондирования». Atmospheric Environment . 293 : 119448. doi : 10.1016/j.atmosenv.2022.119448 . ISSN  1352-2310.
  12. ^ Paulot, F.; Jacob, DJ; Johnson, MT; Bell, TG; Baker, AR; Keene, WC; Lima, ID; Doney, SC; Stock, CA (2015). «Глобальная океаническая эмиссия аммиака: ограничения, обусловленные наблюдениями за морской водой и атмосферой». Global Biogeochemical Cycles . 29 (8): 1165–1178. Bibcode : 2015GBioC..29.1165P. doi : 10.1002/2015GB005106. hdl : 1912/7658 . ISSN  1944-9224. S2CID  18373876.
  13. ^ US EPA, OW (2015-08-20). "Критерии водной жизни - Аммиак". US EPA . Получено 22-10-2020 .
  14. ^ «То, что остается в воздухе после лесного пожара, зависит от того, что именно сгорело». Eos . 23 января 2020 г. Получено 14 ноября 2020 г.
  15. ^ Ван, Чэнсюн; Тан, Цзяньвэй; Харле, Гэвин; Гун, Хуэймин; Ся, Вэньчжэн; Чжэн, Тинтин; Ян, Донгся; Гэ, Юньшань; Чжао, Юнькунь (2019-11-05). «Образование аммиака на трехкомпонентных катализаторах Pd/Rh во время колебаний обедненной-обогащенной смеси: влияние старения катализатора, температуры выхлопных газов, лямбды и продолжительности работы в условиях обогащения». Environmental Science & Technology . 53 (21): 12621–12628. Bibcode :2019EnST...5312621W. doi :10.1021/acs.est.9b03893. ISSN  0013-936X. PMID  31577131. S2CID  203639098.
  16. ^ Валах, Алекс К.; Хани, Кристоф; Бюлер, Марсель; Мон, Иоахим; Шраде, Сабина; Куппер, Томас (2023-12-02). «Выбросы аммиака из молочного хозяйства и очистных сооружений сточных вод, количественно оцененные с помощью метода обратной дисперсии с учетом потерь от осаждения». Журнал Ассоциации по управлению воздухом и отходами . 73 (12): 930–950. doi :10.1080/10962247.2023.2271426. ISSN  1096-2247. PMID  37846922.
  17. ^ Гатри, Сьюзен; Джайлз, Сара; Данкерли, Фэй; Табакчали, Хадиль; Харшфилд, Амелия; Иопполо, Бекки; Мэнвилл, Катриона (16.09.2018), Влияние выбросов аммиака в сельском хозяйстве на биоразнообразие: синтез доказательств
  18. ^ "Влияние азотных удобрений на pH почвы". Горячая линия по овощным культурам . Получено 14.11.2020 .
  19. ^ "Выбросы аммиака при кормлении животных и их влияние". ohioline.osu.edu . Получено 14.03.2024 .
  20. ^ US EPA, OW (2015-08-20). «Критерии водной жизни — аммиак». www.epa.gov . Получено 12 апреля 2024 г.
  21. ^ ab "Экологические эффекты аммиака | Министерство сельского хозяйства Миннесоты". www.mda.state.mn.us . Получено 12 апреля 2024 г.
  22. ^ Эдвардс, Теа (10 января 2024 г.). «Аммиак и водные экосистемы — обзор глобальных источников, биогеохимического цикла и воздействия на рыб». Science of the Total Environment . 907 : 167911. doi : 10.1016/j.scitotenv.2023.167911 . PMID  37871823 — через Elsevier Science Direct.
  23. ^ Мишлер, Джон (13 мая 2014 г.). «Ограничение азота в экосистемах прудов на равнинах Восточного Колорадо». PLOS ONE . 9 (5): e95757. doi : 10.1371/journal.pone.0095757 . PMC 4019484. PMID  24824838 . 
  24. ^ Глиберт, Патрисия; Зайцингер, Сибил; Хейл, Синтия; Беркхолдер, Джоанн; Парроу, Мэтью; Кодиспоти, Луис; Келли, Винс (2005-06-01). «Роль эвтрофикации в глобальном распространении вредоносного цветения водорослей». Океанография . 18 (2): 198–209. doi : 10.5670/oceanog.2005.54 . ISSN  1042-8275.
  25. ^ US EPA, ORD (2015-11-04). "pH". www.epa.gov . Получено 2024-04-15 .
  26. ^ Ян, Сяо-э (март 2008 г.). «Механизмы и оценка эвтрофикации воды». Журнал науки Чжэцзянского университета . 9 (3): 197–209. doi :10.1631/jzus.B0710626. PMC 2266883. PMID  18357622 . 
  27. ^ Чжу, Баохуа; Ван, Гуанце; Хуан, Бо; Цэн, ЦК (2004-09-01). «Влияние температуры, гипоксии, аммиака и нитрата на обесцвечивание трех видов кораллов». Chinese Science Bulletin . 49 (18): 1923–1928. doi :10.1007/BF03184283. ISSN  1861-9541.
  28. ^ Фу, Сяо; Ван, Шусяо; Син, Цзя; Чжан, Сяое; Ван, Тао; Хао, Джимин (2017-06-13). «Увеличение концентрации аммиака снижает эффективность контроля загрязнения частицами, достигнутого путем сокращения выбросов SO2 и NOX в Восточном Китае». Environmental Science & Technology Letters . 4 (6): 221–227. doi :10.1021/acs.estlett.7b00143.
  29. ^ Программа, Организация Объединенных Наций по окружающей среде; Коалиция, Климат и чистый воздух (2018). «Загрязнение воздуха в Азиатско-Тихоокеанском регионе: научно обоснованные решения — Резюме». {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  30. ^ ab Fitz, DR; Pisano JT; Goorahoo, D; Krauter, CF; Malkina, IL (2016). Пассивный поток денудера для оценки выбросов аммиака на молочной ферме, 11-я Международная конференция по инвентаризации выбросов, Сан-Диего, 2003. EPA.
  31. ^ Действия по качеству воздуха: Глобальное резюме политики и программ по снижению загрязнения воздуха. Программа ООН по окружающей среде. 2021. стр. 47. ISBN 978-92-807-3880-3.
  32. ^ ab "Выбросы аммиака (NH3) — Европейское агентство по охране окружающей среды". www.eea.europa.eu . Получено 15.11.2020 .