Подкисление пресной воды
 | Эта статья требует внимания эксперта в области лимнологии и океанографии . Конкретная проблема заключается в следующем: необходимы серьезные изменения и разъяснения. ( март 2022 г. ) |
Подкисление пресной воды происходит, когда кислые вещества попадают в пресную воду в результате выветривания горных пород, проникновения подкисляющего газа (например, углекислого газа ) или за счет восстановления кислотных анионов, таких как сульфат и нитрат , в озере. [1] Подкисление пресной воды вызвано, главным образом, оксидами серы (SO x ) и оксидами азота (NO x ), попадающими в воду в результате атмосферных выпадений и выщелачивания почвы . [1] Углекислота и растворенный углекислый газ также могут попадать в пресные воды, аналогично стокам, через почвы, богатые углекислым газом. [1] Сточные воды, содержащие эти соединения, могут содержать окисляющие ионы водорода и неорганический алюминий, которые могут быть токсичными для морских организмов. [1] Кислотные дожди также способствуют закислению пресной воды. Он образуется, когда SO x и NO x реагируют с водой, кислородом и другими окислителями в облаках. [2]
Что способствует закислению пресной воды?
[ редактировать ]Буферная способность почв и коренных пород в пресноводной экосистеме может способствовать повышению кислотности воды. [1] Каждый резервуар с пресной водой способен противостоять изменениям pH, но избыточное поступление кислот в резервуар может привести к снижению буферной способности, что в конечном итоге приведет к тому, что вода станет более кислой. [1] Увеличение содержания CO 2 в атмосфере влияет на кислотность пресной воды, поскольку чем больше его растворяется в воде, тем более кислой она становится. [3] сложно Количественно оценить воздействие антропогенного CO 2 из-за различных потоков углерода в пресноводных экосистемах. [4] Высокий уровень подкисления пресной воды губителен для различных водных организмов. Тем не менее, существует множество пресноводных систем, в том числе Великие озера , где уровень pH может снижаться, скорее всего, из-за накопления CO 2 в атмосфере, однако необходим усиленный мониторинг, чтобы определить полное влияние подкисления на уровень pH. [5]
Пресная вода против закисления океана
[ редактировать ]
Океан и атмосфера постоянно обмениваются огромными количествами CO2 . [6] За последние 800 000 лет концентрация CO 2 в атмосфере оставалась на уровне 172–300 объемных частей на миллион (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 свою роль могут играть и другие аспекты. [6] При растворении в воде CO 2 действует как слабая кислота, которая в первую очередь влияет на химический состав карбонатов. [6] Растворенный CO 2 увеличивает концентрацию ионов бикарбоната (HCO 3 − ) и растворенный неорганический углерод (CT ) , а также снижение уровня pH. [6] Подобно океанам, пресноводные водоемы также поглощают атмосферный CO 2 , снижая pH воды. [7] Помимо CO 2 , значения pH пресноводного водоема изменяются под действием кислотных дождей, стока питательных веществ и антропогенных загрязнителей. [7] Пресная вода поглощает CO 2 по тому же механизму, что и морская вода; однако щелочность пресной воды гораздо более изменчива, чем щелочность морской воды, из-за различий в горных породах, присутствующих на водоразделе, и пониженной концентрации солей. [7] Без этого солевого буфера изменения pH в пресной воде, как правило, более выражены, чем в океанской воде. В пресноводных системах недавно выпущенный H + ионы не буферизуются таким количеством бикарбоната (HCO 3 − ) ионы как океанская вода. Таким образом, пресноводная биота имеет тенденцию иметь более высокую эволюционную устойчивость к pH, чем биота морской воды. [7]
Причины
[ редактировать ]СО 2
[ редактировать ]Углекислый газ реагирует с водой с образованием угольной кислоты , бикарбоната , карбоната и кислых протонов посредством следующих равновесий :
CO 2 (водн.) + H 2 O ⇌ H 2 CO 3 ⇌ HCO 3 − + Ч + ⇌ CO ⇌CO3 2− + 2 ч. + [8]
Диссоциация угольной кислоты снижает pH раствора. [9] Степень диссоциации контролируется общим химическим составом раствора; в частности, щелочность и температура являются основными контролирующими факторами. [9] В прошлом столетии в некоторых пресноводных экосистемах произошло явное увеличение pCO 2 из-за антропогенного воздействия, которое способствует подкислению пресной воды. [6] Часто бывает трудно количественно оценить роль увеличения pCO 2 ( парциального давления ) в пресной воде из-за различных источников углекислого газа и множества факторов, влияющих на него, таких как окружающий ландшафт, климат, присутствующие организмы, химический состав воды и биологические процессы (например, фотосинтез , дыхание ). [7] Преобладающий тип неорганического углерода, присутствующий в пресной воде, указывает на уровень pH, поскольку больше CO 3 2- присутствует в основной воде, а свободный CO 2 находится в кислой воде. [7] Когда последний растворяется на поверхности пресной воды, он реагирует с образованием угольной кислоты. [7] Наряду с общей тенденцией увеличения содержания CO 2 в атмосфере, поглощаемого водоемами, уровни углекислого газа колеблются ежедневно и сезонно. [10]
ТАК x и NO x
[ редактировать ]Двумя другими основными факторами, способствующими закислению пресной воды, являются оксиды серы и оксиды азота. [11] Ускоренное сжигание ископаемого топлива за последние два столетия во многом способствовало закислению пресноводных экосистем. [11] Международное сотрудничество и экологическое законодательство привели к сокращению выбросов SO x и NO x за последние десятилетия, поскольку пик выбросов сульфатов пришелся на 1970-е годы, а выбросы азота отставали 10 лет спустя. [11] Высокие уровни концентрации сульфатов в стоках из-за повышения кислотности в сочетании как с увеличением стока катионов оснований, так и с уменьшением содержания бикарбоната создают подкисляющий эффект в водных системах. [12] Кислотные дожди просачиваются и вступают в реакцию с частицами глины в почве, что приводит к выщелачиванию алюминия в близлежащие водоемы. Таким образом, по мере снижения уровня pH уровень алюминия будет увеличиваться. [13] Более высокие уровни алюминия создают риск загрязнения питьевой воды, что может привести к ряду заболеваний. [13] Это создает токсичную среду для морских видов и их среды обитания, что может привести к исчезновению, сокращению численности популяции и общему снижению биоразнообразия. [13] Большая часть азота в его естественном состоянии, содержащегося в наземных экосистемах, будет использоваться растительностью. Однако в больших количествах не весь он может быть поглощен растительностью, поэтому избыток смывается стоками в виде нитратов, способствуя подкислению так же, как и сульфаты. [12]
Буферная емкость
[ редактировать ]
Буферная способность экосистем помогает им противостоять изменениям pH. Когда этого не хватает, это может привести к закислению пресноводных водоемов. [14] Например, в атлантическом регионе Канады самые низкие темпы кислотных отложений в восточной части Северной Америки, но при этом там самые кислые воды на континенте. [14] Это связано с низкой буферной способностью местных коренных пород и добавлением природных органических кислот, добываемых на близлежащих водно-болотных угодьях. [14] В частности, на юго-западе и востоке Новой Шотландии сочетание высокой органической кислотности, плохой буферности и высокого уровня кислотных отложений приводит к очень низким уровням pH поверхностных вод и значениям способности нейтрализации кислоты (ANC). [14] На большей части Атлантического региона встречаются гранитные и сланцевые породы, содержащие очень мало буферного материала. [14] Поэтому почва, образованная из материалов с низким содержанием буферных веществ, и стекающие из них воды подвержены подкислению даже при слабых кислотных отложениях. [14] Почва, которая подвергается закислению, может, в свою очередь, иметь негативные последствия для сельского хозяйства. [15] Некоторые виды способны выдерживать низкие уровни pH в окружающей среде. Например, лягушки и окуни выдерживают уровень pH 4. [16] Это позволяет этим видам не подвергаться воздействию кислотных отложений в их водной среде, что позволяет 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. Высокий уровень кислотности ухудшает их толстый панцирь, снижая их защиту от хищников. [16]
Вредное воздействие на водные экосистемы
[ редактировать ]
Закисление пресноводных экосистем может иметь значительные негативные последствия. Изменения pH в результате закисления пресной воды создают физиологические проблемы для отдельных организмов, могут уменьшить природное биоразнообразие и могут полностью изменить структуру и функционирование экосистемы. [12] Макробеспозвоночные и крупные позвоночные особенно чувствительны к подкислению, поскольку в закисленных условиях они демонстрируют более высокую смертность и более низкую репродуктивную способность. [12] Эти виды вынуждены тратить больше энергии на буферизацию состояния своего тела, чтобы поддерживать приемлемый уровень pH, и, следовательно, должны ограничивать затраты энергии на такие процессы, как охота, укрытие и размножение. [12] Таким образом, эмбриональное развитие и успех видов также подвергаются риску в закисленных пресных водах. [12]
И наоборот, водоросли процветают в закисленной среде и могут быстро доминировать в этой среде обитания, вытесняя другие виды. [12] В большинстве кислых пресноводных водоёмов наблюдается усиление развития мхов и водорослей. [12] В частности, часто наблюдается увеличение численности сфагнума. [12] Сфагнум обладает высокой способностью обменивать H + для основных катионов в пресной воде. Толстый слой сфагнума ограничивает обмен между поверхностными водами и отложениями, 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.
Сокращение подкисления
[ редактировать ]Современные и новые химические методы
[ редактировать ]Существуют процессы, которые могут исправить подкисление пресных вод. Известкование является одним из таких методов, при котором карбонат кальция (CaCO 3 ). к этим системам добавляется [17] Известкование способствует химическому и биологическому восстановлению пресной воды за счет повышения уровня pH и, по сути, помогает среде обитания вернуться к состоянию, аналогичному тому, которое было до закисления. [17] В противном случае восстановление само по себе будет очень обширным и займет гораздо больше времени. При добавлении в реки известкование оказало некоторое положительное воздействие на дикую природу, увеличивая численность рыбы и беспозвоночных, чувствительных к кислоте. [17] Однако эти эффекты варьируются. Фактически, в других экосистемах наблюдалось снижение численности беспозвоночных. [17] Были разработаны новые технологии для сокращения выбросов оксидов азота и диоксида серы, связанных с кислотными дождями и подкислением воды. К ним относятся влажная известь, денитрификация гипса, денитрификация с восстановлением аммиака, десульфуризация и денитрификация электронным лучом, а также импульсная плазмохимическая десульфурация и денитрификация. [15]
Правительственные постановления и политика
[ редактировать ]Значительное сокращение кислотных дождей и кислых водоемов за последние пару десятилетий стало прямым результатом правительственных постановлений в отношении антропогенных выбросов, 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 США по состоянию на 2020 год. [19] Более того, инвестиции в ученых для мониторинга и сбора данных необходимы для создания модели, используемой для разработки успешной политики. [20] Например, можно реализовать протокол для устранения этой проблемы. [20] Кроме того, правительства могли бы инвестировать средства в субсидирование компаний, чтобы уменьшить загрязнение окружающей среды, и стимулировать их использовать инновационные методы производства, чтобы снизить как выбросы парниковых газов, так и количество образующихся кислотных веществ. Более того, правительственные учреждения по всему миру могут обсудить проблему закисления и работать вместе, чтобы найти реальное решение посредством международных соглашений. [15] Некоторые успешные правительственные реализации включают Программу кислотных дождей. [21] установленный в Соединенных Штатах в 1995 году, и последний Гетеборгский протокол, принятый Европейской экономической комиссией Организации Объединенных Наций (ЕЭК ООН) для снижения уровня подкисления. [22]
Государственное образование
[ редактировать ]Еще одним важным фактором, который следует учитывать при рассмотрении вопросов снижения кислотности пресной воды, является выбор, который люди делают для ежедневной защиты окружающей среды. Наличие базового понимания экологических проблем, таких как изменение климата и кислотные дожди, может повлиять на то, что люди будут действовать иначе, если будут более осознанно относиться к этим проблемам. Следование циклическому подходу к сокращению, повторному использованию и переработке может уменьшить истощение ресурсов и минимизировать отходы, включая снижение кислотности воды. [23] Кроме того, создание школьных программ, позволяющих детям с раннего возраста усвоить важность устойчивого развития и защиты окружающей среды. Более того, практика разделения отходов имеет основополагающее значение, поскольку позволяет расщеплять химические вещества, вызывающие кислотные дожди. [15] И, наконец, лучше осознавать влияние действий человека на окружающую среду, чтобы лучше защитить планету. [15]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж Псеннер, Роланд (март 1994 г.). «Экологическое воздействие на пресные воды: подкисление как глобальная проблема». Наука об общей окружающей среде . 143 (1): 53–61. Бибкод : 1994ScTEn.143...53P . дои : 10.1016/0048-9697(94)90532-0 . ISSN 0048-9697 .
- ^ Ирвин, Дж. Г.; Уильямс, МЛ (1988). «Кислотный дождь: Химия и транспорт». Загрязнение окружающей среды . 50 (1–2): 29–59. дои : 10.1016/0269-7491(88)90184-4 . ISSN 0269-7491 . ПМИД 15092652 .
- ^ Жан-Пьер Гаттузо; Лина Ханссон, ред. (2011). Закисление океана . Издательство Оксфордского университета. ISBN 9780199591084 . OCLC 975179973 .
- ^ «Измерения и наблюдения: ОСБ-ОА» . Whoi.edu . Проверено 24 марта 2019 г.
- ^ Филлипс, Дженнифер С.; МакКинли, Гален А.; Беннингтон, Вэл; Бутсма, Харви А.; Пилчер, Даррен Дж.; Стернер, Роберт В.; Урбан, Ноэль Р. (2015). «Потенциал подкисления пресной воды, вызванного CO₂: пример Великих озер» . Океанография . 28 (2): 136–145. дои : 10.5670/oceanog.2015.37 . ISSN 1042-8275 . JSTOR 24861876 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Вайс, Линда С.; Поттер, Леони; Штайгер, Анника; Крупперт, Себастьян; Фрост, Уве; Толлриан, Ральф (январь 2018 г.). «Повышение pCO2 в пресноводных экосистемах может негативно повлиять на защиту дафний от хищников» . Современная биология . 28 (2): 327–332.е3. дои : 10.1016/j.cub.2017.12.022 . ISSN 0960-9822 . ПМИД 29337079 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Хаслер, Калеб Т.; Бутман, Дэвид; Джеффри, Дженнифер Д.; Суски, Кори Д. (январь 2016 г.). Стернер, Роберт (ред.). «Пресноводная биота и повышение pCO 2?». Экологические письма . 19 (1): 98–108. Бибкод : 2016EcolL..19...98H . дои : 10.1111/ele.12549 . ПМИД 26610406 .
- ^ Национальное управление океанических и атмосферных исследований Министерства торговли США. «Урок 3: Закисление океана» (PDF) .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Jump up to: а б Митчелл, Марк Дж.; Дженсен, Оливер Э.; Клифф, К. Эндрю; Марото-Валер, М. Мерседес (2009). " "Модель кинетики растворения углекислого газа и карбонизации минералов" " . Труды Королевского общества А. 466 (2117): 1265–1290. дои : 10.1098/rspa.2009.0349 . S2CID 33658865 .
- ^ Мунис, Ивар П. (1990). «Подкисление пресной воды: его влияние на виды и сообщества пресноводных микробов, растений и животных». Труды Королевского общества Эдинбурга, Раздел B: Биологические науки . 97 : 227–254. дои : 10.1017/s0269727000005364 . ISSN 0269-7270 .
- ^ Jump up to: а б с Кардозо, AC; Свободный, Г.; Ныгес, П.; Касте, О.; Пойкане, С.; Сольхейм, А. Лич (2009). «Управление озером, Критерии». Энциклопедия внутренних вод . Эльзевир. стр. 310–331. дои : 10.1016/b978-012370626-3.00244-1 . ISBN 9780123706263 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж Хенриксен, Арне; Кямяри, Юха; Пош, Максимилиан; Виландер, Андерс (1992). «Критические нагрузки кислотности: поверхностные воды Северной Европы». Амбио . 21 (5): 356–363. ISSN 0044-7447 . JSTOR 4313961 .
- ^ Jump up to: а б с «Кислотный дождь, найдено алюминиевое звено» . Вашингтон Пост . Проверено 19 апреля 2022 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж Клер, Томас А.; Деннис, Ян Ф.; Скратон, Дэвид А.; Гиллисс, Мэллори (декабрь 2007 г.). «Исследование закисления пресной воды в Атлантической Канаде: обзор результатов и прогнозы на будущее». Экологические обзоры . 15 (NA): 153–167. дои : 10.1139/a07-004 . ISSN 1181-8700 .
- ^ Jump up to: а б с д и Чен, Чанган; Линь, Юнтонг; Лю, Юхан; Рен, Сянру (2022). «Последствия закисления пресной воды и меры противодействия» . Серия конференций IOP: Науки о Земле и окружающей среде . 1011 (1): 012035. Бибкод : 2022E&ES.1011a2035C . дои : 10.1088/1755-1315/1011/1/012035 . S2CID 248122033 .
- ^ Jump up to: а б с «Воздействие кислотных дождей – поверхностные воды и водные животные» (PDF) . Landuse.alberta.ca . Проверено 19 апреля 2022 г.
- ^ Jump up to: а б с д Мант, Ребекка К.; Джонс, Дэвид Л.; Рейнольдс, Брайан; Ормерод, Стив Дж.; Пуллин, Эндрю С. (1 августа 2013 г.). «Систематический обзор эффективности известкования для смягчения воздействия закисления рек на рыбу и макробеспозвоночных» . Загрязнение окружающей среды . 179 : 285–293. Бибкод : 2013EPoll.179..285M . дои : 10.1016/j.envpol.2013.04.019 . ISSN 0269-7491 . ПМИД 23707951 .
- ^ Менц, Фредрик К.; Зейп, Ханс М. (1 августа 2004 г.). «Кислотные дожди в Европе и США: обновленная информация» . Экологическая наука и политика . 7 (4): 253–265. Бибкод : 2004ESPol...7..253M . дои : 10.1016/j.envsci.2004.05.005 . ISSN 1462-9011 .
- ^ Канада, Окружающая среда и изменение климата (25 января 2005 г.). «Соглашение о качестве воздуха между Канадой и США: обзор» . www.canada.ca . Проверено 25 марта 2023 г.
- ^ Jump up to: а б Греннфельт, Перинге; Энглерид, Анна; Форсиус, Мартин; Хов, Эйстейн; Роде, Хеннинг; Коулинг, Эллис (01 апреля 2020 г.). «Кислотные дожди и загрязнение воздуха: 50 лет прогресса в экологической науке и политике» . Амбио . 49 (4): 849–864. Бибкод : 2020Амбио..49..849G . дои : 10.1007/s13280-019-01244-4 . ISSN 1654-7209 . ПМК 7028813 . ПМИД 31542884 .
- ^ Агентство по охране окружающей среды США, OAR (21 августа 2014 г.). «Программа кислотных дождей» . www.epa.gov . Проверено 24 марта 2023 г.
- ^ «Протокол по борьбе с подкислением, эвтрофикацией и приземным озоном | ЕЭК ООН» . unece.org . Проверено 25 марта 2023 г.
- ^ Морселетто, Пьеро (01 февраля 2020 г.). «Цели для экономики замкнутого цикла» . Ресурсы, сохранение и переработка . 153 : 104553. doi : 10.1016/j.resconrec.2019.104553 . hdl : 1871.1/c4c1f149-0a90-46fb-9105-cbf7157cf3f8 . ISSN 0921-3449 . S2CID 209343855 .