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, пруду или водохранилище. [1] Закисление пресной воды в первую очередь вызвано оксидами серы (SO x ) и оксидами азота (NO x ), попадающими 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. [2] Хорошо документированный случай закисления пресной воды в озерах Адирондак , штат Нью-Йорк, произошел в 1970-х годах, что было вызвано кислотными дождями из-за промышленных выбросов диоксида серы (SO₂) и оксида азота (NOₓ). [3]

Причины

Естественный

Атмосферный CO 2 влияет на кислотность пресной воды. [4] Микробная активность расщепляет органические вещества, высвобождая органические кислоты, такие как гуминовые и фульвокислоты. Эти кислоты накапливаются в водоемах, особенно тех, которые окружены лесами и водно-болотными угодьями. [5] Торфяники и водно-болотные угодья часто производят кислые воды из-за высокого уровня разложения органических веществ. [6] Это создает естественные кислые условия, которые распространены в бореальных и субарктических регионах.

Вулканическая активность может выбрасывать в атмосферу диоксид серы (SO₂) и другие кислотные оксиды. [7] На воздухе диоксид серы превращается в серную кислоту : [8]

SO2 + 1 / 2O2 + H2O → H2SO4​​​

Антропогенный

Rio Tinto в Испании представляет собой кислотный дренаж как естественного, так и искусственного происхождения (добыча полезных ископаемых)

Человеческая деятельность может значительно ускорить закисление пресной воды. Помимо углекислого газа, при сжигании ископаемого топлива образуются диоксид серы (SO₂) и оксиды азота (NOₓ). Эти газы реагируют с водой и воздухом, образуя серную кислоту (H₂SO₄) и азотную кислоту (HNO₃). [7] [9] [10] Этот процесс особенно вреден в районах, где естественная буферная способность воды низкая, поскольку эти экосистемы в меньшей степени способны нейтрализовать добавленную кислотность.

Добыча полезных ископаемых может значительно способствовать закислению пресной воды посредством процесса кислотного дренажа шахт . Когда сульфидные минералы, такие как пирит (FeS₂), подвергаются воздействию воздуха и воды во время горных работ, они окисляются с образованием серной кислоты. [11]

Емкость буферизации

Карта, изображающая Атлантическую Канаду.

Буферная способность экосистем помогает им противостоять изменениям pH. Когда ее не хватает, пресноводные водоемы становятся закисленными. Например, Атлантический регион Канады имеет самые низкие показатели кислотных отложений в восточной части Северной Америки, однако там самые кислые воды на континенте из-за низкой буферной способности региональной коренной породы и добавления природных органических кислот, производимых близлежащими водно-болотными угодьями. В большей части Атлантического региона встречаются гранитные и сланцевые коренные породы, которые содержат очень мало буферного материала. Почва, образованная из материалов с низкой буферностью, и воды, которые стекают с них, поэтому подвержены закислению даже при низком кислотном отложении. [12]

Почва, которая подвергается закислению, может негативно повлиять на сельское хозяйство. [13] Некоторые виды способны выдерживать низкие уровни pH в своей среде. Например, лягушки и окуни могут выдерживать уровень pH 4. [14] Это позволяет этим видам не подвергаться воздействию кислотных отложений в их водной среде, что позволяет им выживать в этих условиях. [14] Однако большинство водных видов, таких как моллюски и улитки, не способны выдерживать низкие уровни pH, что негативно влияет на их рост и выживание. Высокие уровни кислотности разрушают их толстые раковины, снижая их защиту от хищников. [14]

Воздействие на водные экосистемы

В этом пруду наблюдается обилие сфагнума.

Подкисление пресноводных экосистем может снизить местное биоразнообразие и полностью изменить структуру и функционирование экосистемы. [8] Макробеспозвоночные и крупные позвоночные демонстрируют более высокую смертность и более низкие показатели воспроизводства в подкисленных условиях. Напротив, водоросли процветают в подкисленных средах и могут быстро доминировать в этих местообитаниях, вытесняя другие виды. В частности, часто можно увидеть увеличение численности сфагнума. 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. [8] Водный биомониторинг может использоваться для изучения здоровья водных экосистем.

Минимизация закисления

Сельскохозяйственные стоки являются основным источником азота и фосфора, которые способствуют закислению пресной воды. Внедрение передовых методов управления (BMP) в сельском хозяйстве, таких как сокращение использования химических удобрений, улучшение управления навозом и внедрение методов точного земледелия, может значительно сократить сток питательных веществ в водоемы. [15] Создание прибрежных буферных зон — полос растительности, высаженных вдоль водоемов, — также может помочь отфильтровать загрязняющие вещества с сельскохозяйственных полей до того, как они достигнут пресноводных систем. [16] Эти меры не только уменьшают закисление, но и смягчают эвтрофикацию и улучшают общее качество воды.

Водно-болотные угодья и торфяники служат буферами для пресноводных систем, поглощая загрязняющие вещества и регулируя поток воды. [17] Было показано, что проекты по восстановлению водно-болотных угодий повышают устойчивость пресноводных систем к закислению и другим экологическим стрессорам. [18]

Известкование , при котором в эти системы добавляется карбонат кальция (CaCO3 ) , повышает уровень pH. [19]

Правила

Регулирование антропогенных выбросов, в частности SO x и NO x , может привести к значительному сокращению кислотных дождей и кислых водоемов. [20] Например, Соглашение между Канадой и США о качестве воздуха значительно минимизировало уровень кислотных дождей и озона на 78% в Канаде и на 92% в Соединенных Штатах по состоянию на 2020 год. [21] Более того, инвестиции в ученых для мониторинга и сбора данных имеют важное значение для создания модели, используемой для разработки успешной политики. [22] Например, может быть реализован протокол для смягчения проблемы. [22] 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. [13] Некоторые успешные правительственные внедрения включают Программу по кислотным дождям [23], принятую в Соединенных Штатах в 1995 году, и самый последний Гетеборгский протокол, принятый Европейской экономической комиссией ООН (ЕЭК ООН) для снижения закисления. [24]

Пример: Закисление пресной воды в озерах Адирондак, Нью-Йорк

Озера Адирондак в Нью-Йорке являются одним из наиболее хорошо документированных примеров закисления пресной воды. Еще в 1970-х годах здесь наблюдались признаки закисления из-за низких значений кислотной нейтрализующей способности (ANC) промышленных выбросов диоксида серы (SO₂) и оксидов азота (NOₓ), что приводило к кислотным дождям. [3] Ветры переносили загрязняющие вещества со Среднего Запада США в регион Адирондак и снижали уровень pH водоемов и окружающих почв. [25] Закисление вод привело к значительному сокращению водного биоразнообразия, включая исчезновение видов рыб и ракообразных. [26]

Было предпринято несколько попыток восстановить экологическое состояние озер Адирондак путем сокращения выбросов SO 2 и NOₓ посредством Закона о чистом воздухе 1990 года . [3] Данные мониторинга показывают улучшение качества воды, хотя многие экосистемы остаются уязвимыми из-за долгосрочных последствий кислотных осадков на почвах и водоразделах. [27] Этот случай демонстрирует, как Закон о чистом воздухе сыграл свою роль в устранении антропогенных причин закисления пресной воды. Однако исследования показывают, что экологическое восстановление остается сложной задачей из-за долгосрочных последствий кислотных осадков. [28]

Дальнейшее чтение

Ссылки

  1. ^ abcd 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. ^ abc Дрисколл, К. Т; Постек, К. М; Матети, Д; Секейра, К; Абер, Дж. Д; Крецер, В. Дж; Митчелл, М. Дж; Рейнал, Д. Дж (1998-08-01). "Реакция озерной воды в районе Адирондак в Нью-Йорке на изменения в кислотных отложениях". Environmental Science & Policy . 1 (3): 185–198. doi : 10.1016/S1462-9011(98)00028-8 . ISSN  1462-9011.
  4. ^ Жан-Пьер Гаттузо; Лина Ханссон, ред. (2011). Закисление океана . Oxford University Press. ISBN 9780199591084. OCLC  975179973.
  5. ^ Бернер, Роберт А.; Ласага, Антонио К. (1989). «Моделирование геохимического цикла углерода». Scientific American . 260 (3): 74–81. doi :10.1038/scientificamerican0389-74. ISSN  0036-8733. JSTOR  24987179.
  6. ^ Нордстром, ДК (2011). «Шахтные воды: от кислых до околонейтральных». Элементы . 7 (6): 393–398. doi :10.2113/gselements.7.6.393.
  7. ^ ab Schindler, DW (1988-01-08). "Влияние кислотных дождей на пресноводные экосистемы". Science . 239 (4836): 149–157. doi :10.1126/science.239.4836.149. ISSN  0036-8075. PMID  17732976.
  8. ^ abc Хенриксен, Арне; Кямяри, Юха; Пош, Максимилиан; Виландер, Андерс (1992). «Критические нагрузки кислотности: поверхностные воды Севера». Ambio . 21 (5): 356–363. ISSN  0044-7447. JSTOR  4313961.
  9. ^ Лайкенс, Джин Э.; Борман, Ф. Герберт (1974-06-14). «Кислотный дождь: серьезная региональная экологическая проблема». Science . 184 (4142): 1176–1179. doi :10.1126/science.184.4142.1176. ISSN  0036-8075. PMID  17756304.
  10. ^ Кардосо, А.С.; Фри, Г.; Ныгес, П.; Касте, О.; Пойкане, С.; Солхейм, А. Личе (2009). «Управление озером, критерии». Энциклопедия внутренних вод . Elsevier. стр. 310–331. doi :10.1016/b978-012370626-3.00244-1. ISBN 9780123706263.
  11. ^ Нордстром, ДК (2011-12-01). «Шахтные воды: от кислых до околонейтральных». Элементы . 7 (6): 393–398. doi :10.2113/gselements.7.6.393. ISSN  1811-5209.
  12. ^ 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.
  13. ^ ab Chen, Changan; Lin, Juntong; Liu, Yuhang; Ren, Xiangru (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.
  14. ^ abc "Влияние кислотных дождей - поверхностные воды и водные животные" (PDF) . Landuse.alberta.ca . Получено 19 апреля 2022 г. .
  15. ^ Камарго, Хулио А.; Алонсо, Альваро (август 2006 г.). «Экологические и токсикологические эффекты загрязнения неорганическим азотом в водных экосистемах: глобальная оценка». Environment International . 32 (6): 831–849. doi :10.1016/j.envint.2006.05.002. hdl :10261/294824. PMID  16781774.
  16. ^ Майер, Пол М.; младший Рейнольдс, Стивен К.; Кэнфилд, Тимоти Дж.; Маккатчен, Маршалл Д. (2005). «Ширина прибрежной буферной зоны, растительный покров и эффективность удаления азота: обзор современной науки и правил» (PDF) . Журнал Американской ассоциации водных ресурсов . 43 (2): 311–324.
  17. ^ Горхэм, Эвилл (май 1991 г.). «Северные торфяники: роль в углеродном цикле и вероятные ответы на потепление климата». Экологические приложения . 1 (2): 182–195. doi :10.2307/1941811. ISSN  1051-0761. JSTOR  1941811. PMID  27755660.
  18. ^ Митч, Уильям Дж.; Госселинк, Джеймс Г. (2015). Водно-болотные угодья (Пятое изд.). Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley and Sons, Inc. ISBN 978-1-118-67682-0.
  19. ^ 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.
  20. ^ 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.
  21. ^ 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 .
  22. ^ 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 экологической науке и политике». Ambio . 49 (4): 849–864. Bibcode :2020Ambio..49..849G. doi :10.1007/s13280-019-01244-4. ISSN  1654-7209. PMC 7028813 . PMID  31542884. 
  23. ^ US EPA, OAR (2014-08-21). "Программа по кислотным дождям". www.epa.gov . Получено 2023-03-24 .
  24. ^ «Протокол о борьбе с подкислением, эвтрофикацией и приземным озоном | ЕЭК ООН». unece.org . Получено 2023-03-25 .
  25. ^ DRISCOLL, CHARLES T.; LAWRENCE, GREGORY B.; BULGER, ARTHUR J.; BUTLER, THOMAS J.; CRONAN, CHRISTOPHER S.; EAGAR, CHRISTOPHER; LAMBERT, KATHLEEN F.; LIKENS, GENE E.; STODDARD, JOHN L.; WEATHERS, KATHLEEN C. (2001). "Кислотные отложения на северо-востоке США: источники и входы, эффекты экосистемы и стратегии управления". BioScience . 51 (3): 180. doi :10.1641/0006-3568(2001)051[0180:aditnu]2.0.co;2. ISSN  0006-3568.
  26. ^ Бейкер, JP; Герини, SA; Мансон, RK; Кристенсен, SW; Дрисколл, CT; Галлахер, J.; Ньютон, RM; Рекхоу, KH; Шофилд, CL (1990-01-01). Исследование озер Адирондак: интерпретационный анализ сообществ рыб и химии воды, 1984--1987 (Отчет). Национальная лаборатория Оук-Ридж (ORNL), Оук-Ридж, Теннесси (США); Adirondack Lakes Survey Corp., Рэй-Брук, Нью-Йорк (США). doi : 10.2172/6173689.
  27. ^ Стоддард, Дж. Л.; Джеффрис, Д. С.; Люквилле, А.; Клэр, ТА; Диллон, П. Дж.; Дрисколл, КТ; Форсиус, М.; Йоханнессен, М.; Каль, Дж. С.; Келлог, Дж. Х.; Кемп, А.; Маннио, Дж.; Монтейт, Д. Т.; Мердок, П. С.; Патрик, С. (1999). «Региональные тенденции в восстановлении водной среды после закисления в Северной Америке и Европе». Nature . 401 (6753): 575–578. doi :10.1038/44114. ISSN  0028-0836.
  28. ^ Лоуренс, Грегори Б.; Райан, Кевин А. (2024-02-15). «Широко распространенное химическое разбавление потоков продолжается, поскольку долгосрочные эффекты кислотных отложений медленно обращаются вспять». Загрязнение окружающей среды . 343 : 123273. doi : 10.1016/j.envpol.2023.123273 . ISSN  0269-7491.