stringtranslate.com

Закисление пресной воды

Диаграмма, изображающая источники и циклы выпадения кислотных дождей.

Закисление пресной воды происходит, когда кислотные вещества попадают в пресноводный водоем через выветривание горных пород, вторжение подкисляющего газа (например, углекислого газа ) или путем восстановления кислотных анионов, таких как сульфат и нитрат в озере. [1] Закисление пресной воды в первую очередь вызвано оксидами серы (SO x ) и оксидами азота (NO x ), поступающими в воду из атмосферных осадков и выщелачивания почвы . [1] Углекислота и растворенный углекислый газ также могут попадать в пресные воды, аналогичным образом, связанным со стоком, через почвы, богатые углекислым газом. [1] Сток, содержащий эти соединения, может включать подкисляющие ионы водорода и неорганический алюминий, которые могут быть токсичными для морских организмов. [1] Кислотные дожди также способствуют закислению пресной воды. Они образуются, когда SO x и NO x реагируют с водой, кислородом и другими окислителями в облаках. [2]

Что способствует закислению пресной воды?

Буферная способность почв и коренных пород в пресноводной экосистеме может способствовать кислотности воды. [1] Каждый пресноводный водоем обладает способностью противостоять изменениям pH, но избыточный приток кислот в водоем может привести к снижению буферной способности, в конечном итоге приводя к тому, что вода становится более кислой. [1] Увеличение атмосферного CO 2 влияет на кислотность пресной воды, поскольку чем больше его растворяется в воде, тем более кислой она становится. [3] Трудно количественно оценить воздействие антропогенного CO 2 из-за различных потоков углерода в пресноводных экосистемах. [4] Высокий уровень закисления пресной воды вреден для различных водных организмов. Тем не менее, существует много пресноводных систем, включая Великие озера , где уровни pH могут снижаться, скорее всего, из-за накопления CO 2 в атмосфере, однако, необходим усиленный мониторинг, чтобы определить полное воздействие закисления на уровни pH. [5]

Закисление пресной воды и океана

Краткое изложение взаимосвязи между антропогенным CO 2 и закислением океана .

Океан и атмосфера постоянно обмениваются огромными количествами CO 2. [6] За последние 800 000 лет концентрация CO 2 в атмосфере оставалась на уровне около 172–300 частей на миллион по объему (ppmv). [6] С увеличением антропогенных выбросов CO 2 это число возросло до 387 ppmv в 2009 году. [6] С 2000 по 2008 год 26% антропогенного CO 2 было поглощено океаном. [6] CO 2 является основным фактором, влияющим на pH океана, хотя другие аспекты также могут играть свою роль. [6] При растворении в воде CO 2 действует как слабая кислота, которая в первую очередь влияет на химию карбонатов. [6] Растворенный CO 2 увеличивает концентрацию ионов бикарбоната (HCO 3 − ) и растворенного неорганического углерода (C T ), а также снижает уровень pH. [6] Подобно океанам, пресноводные водоемы также поглощают атмосферный CO2 , снижая pH воды. [7] Помимо CO2 , значения pH пресноводных водоемов изменяются под воздействием кислотных дождей, стока питательных веществ и антропогенных загрязняющих веществ. [7] Пресная вода поглощает CO2 тем же механизмом, что и морская вода; однако щелочность пресной воды гораздо более изменчива, чем морской, из-за различий в породах, присутствующих в водоразделе, и сниженной концентрации соли. [7] Без этого солевого буфера изменения pH в пресной воде, как правило, более выражены, чем в океанской воде. В пресноводных системах вновь высвобождаемые ионы H + не буферизуются таким же количеством ионов бикарбоната (HCO3− ) , как океанская вода. Поэтому пресноводная биота, как правило, имеет более высокую эволюционную толерантность к pH, чем морская биота. [7]

Причины

СО2

Углекислый газ реагирует с водой с образованием угольной кислоты , бикарбоната , карбоната и кислотных протонов посредством следующих равновесий :

CO 2 (водный раствор) + H 2 O ⇌ H 2 CO 3 ⇌ HCO 3 − + H + ⇌ CO 3 2− + 2 H + [8]

Молекула углекислого газа

Диссоциация угольной кислоты снижает pH раствора. [9] Степень диссоциации контролируется общей химией раствора; в частности, щелочность и температура являются основными контролирующими факторами. [9] В прошлом веке в некоторых пресноводных экосистемах наблюдалось явное увеличение pCO 2 из-за антропогенного влияния, которое способствует закислению пресной воды. [6] Часто бывает трудно количественно оценить роль увеличения pCO 2 ( парциального давления ) в пресной воде из-за различных источников углекислого газа и многих факторов, которые на него влияют, таких как окружающий ландшафт, климат, присутствующие организмы, химия воды и биологические процессы (например, фотосинтез , дыхание ). [7] Доминирующий тип неорганического углерода, присутствующего в пресной воде, указывает на уровни pH, поскольку больше CO 3 2- присутствует в основной воде, а свободного CO 2 - в кислой воде. [7] Когда последний растворяется на поверхности пресной воды, он реагирует, образуя угольную кислоту. [7] Наряду с общей тенденцией увеличения CO 2 в атмосфере, который поглощается водоемами, уровни углекислого газа колеблются ежедневно и сезонно. [10]

ТАКхи НЕТх

Два других основных фактора, способствующих закислению пресной воды, — это оксиды серы и оксиды азота. [11] Ускоренное сжигание ископаемого топлива за последние два столетия в значительной степени способствовало закислению пресноводных экосистем. [11] Международное сотрудничество и законодательство об охране окружающей среды сократили SO x и NO x в последние десятилетия, поскольку выбросы сульфатов достигли пика в 1970-х годах, а азот последовал за ними 10 лет спустя. [11] Высокие уровни концентрации сульфатов в стоках из-за повышенного поступления кислотности в сочетании с увеличением стока основных катионов и уменьшением бикарбоната создают подкисляющие эффекты в водных системах. [12] Кислотные дожди просачиваются в глинистые частицы в почве и вступают в реакцию с ними, что приводит к выщелачиванию алюминия в близлежащие водоемы. Таким образом, по мере снижения уровня pH уровень алюминия будет увеличиваться. [13] Более высокие уровни алюминия представляют риск загрязнения питьевой воды, что может привести к нескольким заболеваниям. [13] Это создает токсичную среду для морских видов и их среды обитания, что может привести к вымиранию, сокращению численности популяции и общему снижению биоразнообразия. [13] Большая часть азота в его естественном состоянии, обнаруженного в наземных экосистемах, будет использована растительностью. Однако в больших количествах не весь азот может быть поглощен растительностью, поэтому избыток смывается стоком в форме нитрата, способствуя закислению таким же образом, как и сульфат. [12]

Буферная емкость

Карта, изображающая Атлантическую Канаду.

Буферная способность экосистем помогает им противостоять изменениям pH. Когда ее не хватает, это может привести к закислению пресноводных водоемов. [14] Например, Атлантический регион Канады имеет самые низкие показатели кислотных отложений в Восточной Северной Америке, однако там самые кислые воды на континенте. [14] Это связано с низкой буферной способностью региональной коренной породы и добавлением природных органических кислот, производимых близлежащими водно-болотными угодьями. [14] В частности, в Юго-Западной и Восточной Новой Шотландии существует сочетание высокой органической кислотности, плохой буферности и высокого кислотного отложения, что приводит к очень низким уровням pH поверхностных вод и значениям кислотной нейтрализующей способности (ANC). [14] В большей части Атлантического региона встречаются гранитные и сланцевые коренные породы, которые содержат очень мало буферного материала. [14] Почва, образованная из материалов с низкой буферностью, и воды, которые стекают с них, поэтому подвержены закислению даже при низком кислотном отложении. [14] Почва, которая подвергается закислению, может, в свою очередь, иметь негативные последствия для сельского хозяйства. [15] Некоторые виды способны выдерживать низкие уровни pH в своей среде. Например, лягушки и окуни могут выдерживать уровень pH 4. [16] Это позволяет этим видам не подвергаться воздействию кислотных отложений в их водной среде, позволяя им выживать в этих условиях. [16] Однако большинство водных видов, таких как моллюски и улитки, не способны выдерживать низкие уровни pH, что отрицательно влияет на их рост и выживание. Высокие уровни кислотности разрушают их толстые раковины, снижая их защиту от хищников. [16]

Вредное воздействие на водные экосистемы

В этом пруду наблюдается обилие сфагнума.

Подкисление пресноводных экосистем может иметь значительные негативные последствия. Изменения pH в результате подкисления пресной воды налагают физиологические проблемы на отдельные организмы, могут снизить местное биоразнообразие и полностью изменить структуру и функционирование экосистемы. [12] Макробеспозвоночные и крупные позвоночные особенно чувствительны к подкислению, поскольку они демонстрируют более высокую смертность и более низкие показатели воспроизводства в подкисленных условиях. [12] Эти виды вынуждены тратить больше энергии на буферизацию условий своего тела, чтобы поддерживать пригодный для жизни pH, и, следовательно, должны ограничивать расход энергии на такие процессы, как охота, укрытие и воспроизводство. [12] Таким образом, эмбриональное развитие и успешность видов также ставятся под угрозу в подкисленных пресных водах. [12]

Напротив, водоросли процветают в подкисленной среде и могут быстро доминировать в этих местах обитания, вытесняя другие виды. [12] В большинстве кислых пресноводных водоемов наблюдается увеличение развития мхов и водорослей. [12] В частности, часто можно увидеть увеличение численности сфагнума. [12] Сфагнум обладает высокой способностью обменивать H + на основные катионы в пресной воде. Толстый слой сфагнума ограничивает обмен между поверхностными водами и осадком, что еще больше способствует сокращению круговорота питательных веществ в экосистеме. [12]

Водный биомониторинг можно использовать для изучения состояния водных экосистем путем оценки качества и температуры воды.

Уменьшение закисления

Современные и перспективные химические технологии

Существуют процессы, которые могут устранить закисление пресных вод. Известкование является одной из таких практик, при которой в эти системы добавляется карбонат кальция (CaCO3 ) . [17] Известкование способствует химическому и биологическому восстановлению пресной воды, повышая уровень pH и, по сути, помогая среде обитания вернуться к состоянию, аналогичному тому, которое было до закисления. [17] В противном случае восстановление само по себе было бы очень обширным и заняло бы гораздо больше времени. При добавлении в реки известкование показало некоторые положительные эффекты на диких животных, увеличив численность рыб и беспозвоночных, чувствительных к кислоте. [17] Однако эти эффекты изменчивы. Фактически, другие экосистемы показали снижение численности беспозвоночных. [17] Были разработаны новые технологии для сокращения выбросов оксида азота и диоксида серы, связанных с кислотными дождями и закислением воды. К ним относятся мокрая известь, гипсовая денитрификация, денитрификация с уменьшением аммиака, десульфурация и денитрификация с помощью электронного пучка и импульсная плазменно-химическая десульфурация и денитрификация. [15]

Правительственные постановления и политика

Значительное снижение кислотных дождей и кислотных водоемов за последние пару десятилетий стало прямым результатом правительственных постановлений об антропогенных выбросах, в частности SO x и NO x . [18] Например, Соглашение о качестве воздуха между Канадой и США значительно снизило уровень кислотных дождей и озона на 78% в Канаде и на 92% в Соединенных Штатах по состоянию на 2020 год. [ 19] Более того, инвестиции в ученых для мониторинга и сбора данных имеют важное значение для создания модели, используемой для разработки успешной политики. [20] Например, можно внедрить протокол для смягчения проблемы. [20] Кроме того, правительства могли бы инвестировать средства в субсидирование компаний для снижения их загрязнения и стимулировать их использовать инновационные методы производства, чтобы снизить как выбросы парниковых газов, так и количество создаваемых кислотных веществ. Кроме того, правительственные учреждения по всему миру могут объединиться по вопросу подкисления и работать вместе, чтобы найти осуществимое решение посредством международных соглашений. [15] Некоторые успешные правительственные внедрения включают Программу по кислотным дождям [21], принятую в Соединенных Штатах в 1995 году, и самый последний Гетеборгский протокол, принятый Европейской экономической комиссией ООН (ЕЭК ООН) для снижения закисления. [22]

Уменьшить, повторно использовать, переработать Post-it

Государственное образование

Другим важным фактором, который следует учитывать при рассмотрении снижения закисления пресной воды, является выбор, который люди делают для защиты окружающей среды каждый день. Наличие базового понимания экологических проблем, таких как изменение климата и кислотные дожди, может повлиять на людей, чтобы они действовали по-другому, будучи более осознанными в отношении этих проблем. Следование круговому подходу к сокращению, повторному использованию и переработке может сократить истощение ресурсов и минимизацию отходов, включая снижение кислотности воды. [23] Кроме того, создание школьных программ, которые обеспечат детям обучение с раннего возраста важности устойчивости и защиты окружающей среды. Более того, практика разделения отходов имеет основополагающее значение, поскольку она позволяет расщеплять химические вещества, вызывающие кислотные дожди. [15] И, наконец, быть в целом более осведомленным о влиянии действий человека на окружающую среду, чтобы лучше защитить планету. [15]

Ссылки

  1. ^ abcdef Psenner, Roland (март 1994). «Влияние окружающей среды на пресные воды: закисление как глобальная проблема». Science of the Total Environment . 143 (1): 53–61. Bibcode : 1994ScTEn.143...53P. doi : 10.1016/0048-9697(94)90532-0. ISSN  0048-9697.
  2. ^ Ирвин, Дж. Г.; Уильямс, М. Л. (1988). «Кислотный дождь: химия и транспорт». Загрязнение окружающей среды . 50 (1–2): 29–59. doi :10.1016/0269-7491(88)90184-4. ISSN  0269-7491. PMID  15092652.
  3. ^ Жан-Пьер Гаттузо; Лина Ханссон, ред. (2011). Закисление океана . Oxford University Press. ISBN 9780199591084. OCLC  975179973.
  4. ^ "Измерения и наблюдения: OCB-OA". Whoi.edu . Получено 2019-03-24 .
  5. ^ Филлипс, Дженнифер К.; МакКинли, Гален А.; Беннингтон, Вал; Бутсма, Харви А.; Пилчер, Даррен Дж.; Стернер, Роберт В.; Урбан, Ноэль Р. (2015). «Потенциал закисления пресной воды, вызванного CO₂: исследование случая Великих озер». Океанография . 28 (2): 136–145. doi : 10.5670/oceanog.2015.37 . ISSN  1042-8275. JSTOR  24861876.
  6. ^ abcdefgh Вайс, Линда К.; Пёттер, Леони; Штайгер, Анника; Крупперт, Себастьян; Фрост, Уве; Толриан, Ральф (январь 2018 г.). «Рост pCO2 в пресноводных экосистемах может отрицательно повлиять на защиту дафний, вызванную хищниками». Current Biology . 28 (2): 327–332.e3. doi : 10.1016/j.cub.2017.12.022 . ISSN  0960-9822. PMID  29337079.
  7. ^ abcdefg Хаслер, Кейлеб Т.; Бутман, Дэвид; Джеффри, Дженнифер Д.; Суски, Кори Д. (январь 2016 г.). Стернер, Роберт (ред.). «Пресноводная биота и рост pCO2?». Ecology Letters . 19 (1): 98–108. Bibcode : 2016EcolL..19...98H. doi : 10.1111/ele.12549. PMID  26610406.
  8. ^ Министерство торговли США, Национальное управление океанических и атмосферных исследований. «Урок 3: Закисление океана» (PDF) . {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  9. ^ ab Митчелл, Марк Дж.; Дженсен, Оливер Э.; Клифф, К. Эндрю; Марото-Валер, М. Мерседес (2009). ""Модель растворения углекислого газа и кинетика карбонизации минералов"". Труды Королевского общества A . 466 (2117): 1265–1290. doi : 10.1098/rspa.2009.0349 . S2CID  33658865.
  10. ^ Мунис, Ивар П. (1990). «Закисление пресноводных вод: его влияние на виды и сообщества пресноводных микробов, растений и животных». Труды Королевского общества Эдинбурга, Раздел B: Биологические науки . 97 : 227–254. doi :10.1017/s0269727000005364. ISSN  0269-7270.
  11. ^ abc Cardoso, AC; Free, G.; Nõges, P.; Kaste, Ø.; Poikane, S.; Solheim, A. Lyche (2009). «Управление озером, критерии». Энциклопедия внутренних вод . Elsevier. стр. 310–331. doi :10.1016/b978-012370626-3.00244-1. ISBN 9780123706263.
  12. ^ abcdefghij Хенриксен, Арне; Кямяри, Юха; Пош, Максимилиан; Виландер, Андерс (1992). «Критические нагрузки кислотности: поверхностные воды Северных стран». Ambio . 21 (5): 356–363. ISSN  0044-7447. JSTOR  4313961.
  13. ^ abc "Acid Rain, Aluminum Link Found". Washington Post . Получено 19 апреля 2022 г.
  14. ^ abcdef Клэр, Томас А.; Деннис, Ян Ф.; Скрутон, Дэвид А.; Гиллисс, Мэллори (декабрь 2007 г.). «Исследования закисления пресной воды в Атлантической Канаде: обзор результатов и прогнозов на будущее». Environmental Reviews . 15 (NA): 153–167. doi :10.1139/a07-004. ISSN  1181-8700.
  15. ^ abcde Чэнь, Чанган; Линь, Цзюньтун; Лю, Юйхан; Жэнь, Сянжу (2022). «Эффекты закисления пресной воды и контрмеры». Серия конференций IOP: Науки о Земле и окружающей среде . 1011 (1): 012035. Bibcode : 2022E&ES.1011a2035C. doi : 10.1088/1755-1315/1011/1/012035 . S2CID  248122033.
  16. ^ abc "Влияние кислотных дождей - поверхностные воды и водные животные" (PDF) . Landuse.alberta.ca . Получено 19 апреля 2022 г. .
  17. ^ abcd Mant, Rebecca C.; Jones, David L.; Reynolds, Brian; Ormerod, Steve J.; Pullin, Andrew S. (2013-08-01). «Систематический обзор эффективности известкования для смягчения воздействия закисления рек на рыбу и макробеспозвоночных». Environmental Pollution . 179 : 285–293. Bibcode : 2013EPoll.179..285M. doi : 10.1016/j.envpol.2013.04.019 . ISSN  0269-7491. PMID  23707951.
  18. ^ Менц, Фредрик К.; Сейп, Ганс М. (2004-08-01). «Кислотные дожди в Европе и Соединенных Штатах: обновление». Environmental Science & Policy . 7 (4): 253–265. Bibcode : 2004ESPol...7..253M. doi : 10.1016/j.envsci.2004.05.005. ISSN  1462-9011.
  19. ^ Канада, Окружающая среда и изменение климата (2005-01-25). «Соглашение о качестве воздуха между Канадой и США: обзор». www.canada.ca . Получено 2023-03-25 .
  20. ^ ab Греннфельт, Перинг; Энглерид, Анна; Форсиус, Мартин; Хов, Эйстейн; Роде, Хеннинг; Коулинг, Эллис (2020-04-01). «Кислотные дожди и загрязнение воздуха: 50 лет прогресса в области экологической науки и политики». Ambio . 49 (4): 849–864. Bibcode :2020Ambio..49..849G. doi :10.1007/s13280-019-01244-4. ISSN  1654-7209. PMC 7028813 . PMID  31542884. 
  21. ^ US EPA, OAR (2014-08-21). "Программа по кислотным дождям". www.epa.gov . Получено 2023-03-24 .
  22. ^ «Протокол о борьбе с подкислением, эвтрофикацией и приземным озоном | ЕЭК ООН». unece.org . Получено 2023-03-25 .
  23. ^ Морселетто, Пьеро (2020-02-01). «Цели для экономики замкнутого цикла». Ресурсы, охрана природы и переработка . 153 : 104553. doi : 10.1016/j.resconrec.2019.104553. hdl : 1871.1/c4c1f149-0a90-46fb-9105-cbf7157cf3f8 . ISSN  0921-3449. S2CID  209343855.