Wpływ kwasów na środowisko naturalne

Kwasy i ich roztwory ze względu na swój (jak sama nazwa wskazuje) kwaśny odczyn wywierają odpowiedni wpływ na wszystko, co znajduje się w ich otoczeniu. W środowisku Ziemi wyraz „odpowiedni” znaczy „negatywny”, choć nie jest to regułą.

Chyba najbardziej popularnym i najbardziej szkodliwym wpływem kwasów na środowisko są kwaśne opady atmosferyczne, tzw. kwaśne deszcze.
Występowanie pary wodnej w atmosferze ogranicza się praktycznie do jej dolnej warstwy, zwanej troposferą. Przy spadku temperatury poniżej granicy odpowiadającej stanowi nasycenia powietrza parą wodną pewna jej ilość przechodzi w stan ciekły (kropelki wody), co określa się mianem kondensacji pary wodnej, lub w stan stały (kryształki lodu), co nazywa się krystalizacją. Produkty procesów krystalizacji i kondensacji pary wodnej występującej w atmosferze ziemskiej nazywamy opadem atmosferycznym. Dowolna postać tego opadu (mgła, rosa, mżawka, deszcz, szron, śnieg, słupki lodowe, grad) pochłania z atmosfery gazowe składniki powietrza i wypłukuje zawieszone w niej cząsteczki materii (aerozole atmosferyczne). Oszacowano, że 1 dm3 wody, opadając na powierzchnię Ziemi, spłukuje 3,26 · 105 dm3 powietrza. Skład chemiczny opadu atmosferycznego określa szereg czynników natury fizycznej, chemicznej, geograficznej, geologicznej, a nawet biologicznej. Jakość i ilość występujących w opadzie składników oraz ich wzajemne relacje pozwalają na określenie stanu zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego. W warunkach naturalnych kwasowość opadu atmosferycznego jest określona wskaźnikiem pH o wartości 5,65. Opad, którego kwasowość pH jest niższa od 5,6, określa się mianem kwaśnego opadu atmosferycznego. Dominującą formą opadu atmosferycznego jest deszcz i stąd tego typu opad nazywany jest powszechnie kwaśnym deszczem. Prowadzone pomiary wskazują, że na obszarze prawie całej Europy występują opady, których wartość pH waha się od 4 do 4,5. Oznacza to, że są one około dziesięciokrotnie bardziej kwaśne niż tak zwany normalny deszcz. W 1979 roku w Wheeling w stanie Wirginia (USA) spadł deszcz, którego pH wynosiła 1,5 i była najniższa z dotychczas zarejestrowanych. Wartość ta odpowiada kwasowości roztworu elektrolitu w akumulatorze samochodowym. Badania próbek pobranych z lodów Grenlandii wskazują, że około 180 lat temu wartość pH opadów atmosferycznych mieściła się w zakresie 6 – 7,7, a zatem opady były wówczas około 100-krotnie mniej kwaśne niż obecnie.

Głównymi czynnikami powodującymi wzrost kwasowości opadów atmosferycznych są przenikające do atmosfery tlenki siarki (SOx), tlenki azotu (NOx) oraz dwutlenek węgla (CO2), siarkowodór (H2S), chlorowodór (HCl). Długotrwała emisja tych substancji może pochodzić ze źródeł naturalnych, jak czynne wulkany, albo sztucznych, jak spaliny z dużych elektrowni i elektrociepłowni zasilanych zasiarczonym - tzn. zawierającym siarkę i jej związki - paliwem, zazwyczaj węglem kamiennym lub brunatnym, czy przemysłowa produkcja chemikaliów. Zanieczyszczenia te rozprzestrzeniają się nad znaczne obszary, a zasięg ich występowania i poziom zawartości w atmosferze określone są wysokością punktowych źródeł emisji (takich jak kominy, czy wulkany) oraz warunkami meteorologicznymi (kierunkiem cyrkulacji, temperaturą i wilgotnością powietrza). Ładunek materii występujący w atmosferze ulega w niej naturalnym procesom prowadzącym do jej usuwania do podłoża w postaci suchego albo mokrego opadu. Suchy opad atmosferyczny (suche osadzanie, depozycja) to przeniesienie śladowych substancji z atmosfery na powierzchnię Ziemi, bez udziału fazy ciekłej. Na przekór tej nazwie związany jest on z pochłanianiem (adsorpcją lub absorpcją) śladowych składników atmosfery przede wszystkim na wilgotnych powierzchniach roślin, budowli, gleb i powierzchni wód. Mokry opad atmosferyczny (mokre osadzanie, depozycja) powstaje na skutek usuwanie zanieczyszczeń z atmosfery przez którąś z form opadu. Ładunek materii docierający do chmury jest z niej usuwany wraz z opadem, natomiast materiał znajdujący się poniżej chmury podlega wymywaniu kroplami padającego deszczu. Deszcz ten zawiera kwasy nieorganiczne wytworzone w reakcji wody z pochłoniętymi z powietrza gazami, takimi jak: dwutlenek siarki, tlenki azotu, dwutlenek węgla, siarkowodór, chlorowodór. Są to rozcieńczone roztwory kwasów siarki, głównie kwasu siarkowego (IV) H2SO3, oraz najbardziej szkodliwego kwasu siarkowego (VI) H2SO4, a także kwasu azotowego (V) HNO3, chlorowodorowego (solnego) HCl, fluorowodorowego HF i fosforowego (V) H3PO4. Procentowy udział tych kwasów w bilansie opadu kwaśnego zależy od czasu i miejsca ich emisji. Stwierdzono, że największy udział w wywoływaniu kwasowości opadu atmosferycznego występującego latem ma kwas siarkowy (VI) – 73%, natomiast zimą dominuje kwas azotowy (V) – 69%, co wyjaśnia się zwiększoną emisją tlenków azotu wskutek spalania w tym okresie większej ilości paliw.

Opady atmosferyczne występujące na terenie Polski są bardzo kwaśne. Średnie roczne wartości pH (dane Państwowej Inspekcji Ochrony Środowiska – PIOŚ z 1993 r.) kształtują się od 4,26 na Śnieżce do 4,60 w Suwałkach. Najwyższy poziom zakwaszenia opadów występuje w regionie sudeckim, gdzie sporadycznie rejestrowano opady o wartości pH poniżej 3,0.

Znaczenie kwaśnych opadów atmosferycznych wynika z faktu, że wywołują one negatywne zjawiska ekologiczne, prowadzące do ogromnych strat materialnych i zdrowotnych. Problem ten występuje najwyraźniej w krajach skandynawskich, które otrzymują znacznie więcej związków azotu i siarki wskutek transgranicznego przenoszenia, niż same emitują. Kierunek dominujących cyrkulacji mas powietrza sprawia, że zanieczyszczenia emitowane w innych regionach Europy osadzają się na terenie krajów skandynawskich. Skutki tego kwaśnego opadu atmosferycznego uwidaczniają się zmianą wartości pH wielu jezior (z 6 na 4,5, a nawet niżej). Zakwaszenie to prowadzi z jednej strony do spadku zawartości wapnia w wodzie, a tym samym do degeneracji szkieletów i tkanek fauny wodnej, z drugiej zaś przyczynia się do wzrostu poziomu zawartości potencjalnie toksycznych metali, jak np. glinu (Al), rtęci (Hg), kadmu (Cd), niklu (Ni), które w normalnych warunkach są związane w osadach dennych. Nadmierne zakwaszenie wód jezior prowadzi w końcowym etapie do zamierania w nich życia organicznego, czego pierwszym objawem jest przezroczystość wód.

Wrażliwość ekosystemu na kwaśny opad zależy od stężenia i ilości kwaśnych składników zawartych w opadzie, zdolności skał, gleb, ekosystemów wodnych do ich zobojętniania oraz odporności żywych organizmów na ten opad. Kwaśne deszcze zakwaszają wodę deszczową, przedostają się do gleby i wód powierzchniowych, co ujemnie wpływa na wszystkie ekosystemy. Zmiana odczynu pH wody uniemożliwia życie wielu gatunkom organizmów i zakłóca funkcjonowanie danego ekosystemu wodnego. W przypadku ekosystemów lądowych nadmierna kwasowość powoduje zubożenie gleby w wiele substancji niezbędnych do życia roślin (np. magnezu, miedzi, manganu), uszkodzenie ich korzeni, zahamowanie wzrostu, usychanie liści i wreszcie ich śmierć. Wiadomo, że kwaśne deszcze stanowią główną przyczynę obumierania lasów w Europie i Ameryce Północnej. Roślinność charakteryzuje się znacznie większą wrażliwością na kwaśny opad aniżeli człowiek, zwierzęta, czy też materiały. Spośród wszystkich organów liście, a szczególnie igliwie, są najbardziej czułe na działanie kwaśnego opadu. Bezpośrednim skutkiem są głównie uszkodzenia aparatów szparkowych, znajdujących się na zewnętrznej, zielonej powłoce liście lub igliwia. Powodują one zwiększenie intensywności przebiegu procesu fotosyntezy i przedwczesne opadanie liści (igliwia) lub hamują ich wzrost. Przykładem pośredniego działania kwaśnego deszczu, objawiającego się zazwyczaj po dłuższym okresie, jest uwalnianie się do gleby potencjalnie toksycznych metali, takich jak glin, ołów, cynk, które osiągają poziom stężenia toksyczny dla roślin. Ponadto kwaśne deszcze zanieczyszczają wodę pitną.

Kwaśne deszcze są również pośrednią przyczyną powstawania tzw. kwaśnych gleb. Jest to popularna nazwa gleb o odczynie chemicznym (pH) poniżej wartości 6,5. Należą do nich m.in. gleby brunatne, bielice, czerwonoziemy i żółtoziemy.

Bezpośrednia przyczyna powstawania kwaśnych gleb tkwi w samym rolnictwie, wskutek nieprzestrzegania zasad dobrej praktyki rolniczej – niewłaściwe nawożenie, stosowanie środków chemicznych i niewłaściwie przeprowadzona melioracja. Wśród tych czynników największy wpływ na zakwaszenie gleb ma używanie nawozów sztucznych, których składnikami są kwasy organiczne, jak np. kwas azotowy. Zakwaszająco na gleby działają również, ulegające suchej depozycji, ditlenek siarki (IV), SO2 i ditlenek azotu (IV), NO2.

Kwaśne gleby to najgroźniejsze chemiczne zanieczyszczenia gleby, gdyż są one najbardziej szkodliwe dla większości organizmów. Obniżenie wartości pH środowiska glebowego niesie bowiem za sobą liczne niepożądane konsekwencje. Najistotniejszą z nich jest uwalnianie do środowiska glebowego metali związanych przez mineralne i organiczne składniki gleby, w wyniku czego mogą być przyswajane przez rośliny. Mobilizacja metali prowadzi do zmian struktury gleby i przenikania metali do wód podziemnych. Nawozy mineralne i pestycydy stosowane w zbyt dużych ilościach i niewłaściwie użyte wywierają ujemny wpływ na środowisko glebowe. Najjaskrawiej objawia się to w przypadku przenawożenia nawozami azotowymi. Stwierdzono, że rośliny wykorzystują niewiele ponad 50% ilości nawozu wprowadzanego do gleby. Niewykorzystana część nawozu pozostaje się w glebie, może przenikać do wód powierzchniowych i gruntowych, powodując ich eutrofizację oraz skażenie roślin i wód ujmowanych do picia.

Charakteryzują się one występowaniem w próchnicy organicznych kwasów fulwowych, brakiem węglanu wapnia oraz wysoką zawartością jonów żelaza, glinu i manganu.
Kwaśne gleby często wymagają odwodnienia oraz agromelioracji, np. wapnowania.

Kwaśne deszcze działają niszcząco na florę i faunę, powodując degradację środowiska, przez co również stanowią zagrożenie dla życia ludzi. Bezpośrednim zagrożeniem ludzkiego życia są natomiast przedostające się do atmosfery aerozole kwasu siarkowego (VI), H2SO4, które są przyczyną wystąpienia rozmaitych schorzeń układu oddechowego.
Kwaśne deszcze to nie tylko zagrożenie dla ekosystemu Ziemi, ale również dla budowli, w tym również zabytków stanowiących dziedzictwo naszej kultury, dla konstrukcji metalowych i maszyn. Otóż te budowle ulegają przyspieszonemu zniszczeniu wskutek korozyjnego działania kwaśnego opadu na kamienie budowlane – wapień, marmur, piaskowiec, oraz na zaprawę murarską i metale. Straty materialne spowodowane przyspieszeniem procesów korozji wskutek obecności w opadzie atmosferycznym kwaśnych składników są ogromne.
Czasami opady (kwaśnego deszczu, a także kwaśnego śniegu) trafiają na obszary bardzo odległe od źródeł zanieczyszczeń atmosfery, dlatego przeciwdziałanie kwaśnym deszczom stanowi problem międzynarodowy. Zapobieganie zakwaszeniu opadu atmosferycznego, a tym samym i zakwaszenia biosfery, polega na budowaniu instalacji wyłapujących tlenki siarki i azotu ze spalin emitowanych do atmosfery – jest to tzw. odsiarczanie gazu. Jednak jedynym w pełni skutecznym sposobem ograniczenia kwasowości opadów jest zmniejszenie wielkości ładunków tlenków siarki i azotu uwalnianych do atmosfery. Konieczne są w tym celu solidarne i konsekwentnie realizowane działania wszystkich krajów Europy. Zgodnie z protokołem podpisanym
w 1994 roku w Oslo, Polska jest zobowiązana do redukcji o 60% obecnej wielkości emisji tlenków siarki (IV) SO2 do roku 2010.

Fluorowodór (HF), bardzo dobrze rozpuszczający się w wodzie z utworzeniem kwasu fluorowodorowego. Fluorowodór jest stosowany głównie do trawienia szkła (z krzemionki powstaje wówczas lotny SiF4), do produkcji freonów i fluoru.


Aspiryna, kwas acetylosalicylowy (C9H8O4). Aspiryna jest bardzo popularnym środkiem przeciwgorączkowym, przeciwzapalnym i przeciwbólowym (środki przeciwbólowe) . Poza tym hamuje agregację płytek krwi i z tego wzlędu jest stosowana w chorobie wieńcowej. Aspiryna jest przeciwskazana m.in. w chorobie wrzodowej.
Glicyna (NH2CH2COOH, kwas aminooctowy, glikokol), aminokwas. Glicyna jest składnikiem większości białek.
Kwas arachidonowy, Wchodzi w skład witaminy F (witaminy).
Witamina C, kwas askorbinowy, witamina rozpuszczalna w wodzie, odgrywa dużą rolę w utlenianiu komórkowym - zwłaszcza w utlenianiu tyrozyny i w procesach redukcji.

Wzmaga odporność organizmu, niezbędna do utrzymania prawidłowego stanu tkanki łącznej - m.in. włosowatych naczyń krwionośnych (co wyraża się ich kruchością ze skłonnością do krwawień, czyli skazą krwotoczną naczyniową). Jej niedobór powoduje szkorbutobjawiający się krwawieniami z dziąseł, wybroczynami skórnymi, krwawieniami z nosa, z przewodu pokarmowego i narządu moczowego. .
Kwas asparaginowy (HOOC-CH2-CH(NH2)-COOH), symbol skrótowy Asp albo D, występujący głównie w białkach roślinnych (aminokwas endogenny).

Kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA), jeden z rodzajów kwasów nukleinowych.
Kwas foliowy, złożony związek występujący w liściach (np. szpinak warzywny) i drożdżach, składnik witaminy B-kompleks (witamina B11). Jest też produkowany przez bakterie m.in. florę jelitową.
Ma działanie krwiotwórcze, dlatego jest stosowana w niektórych typach niedokrwistości (niedokrwistość złośliwa), a poza tym w leczeniu biegunki tłuszczowej. Niedobór kwasu foliowego powoduje zahamowanie syntezy kwasów nukleinowych, wzrostu tkanek i organizmu, a także wypadanie włosów i powstawanie ognisk martwicy w mięśniach.

Kwas hialuronowy, jeden z podstawowych mukopolisacharydów wchodzących w skład tkanki łącznej, ciałka szklistego i powierzchniowych chrząstek stawowych. Dzięki właściwościom wiązania dużych ilości wody warunkuje prawidłowe uwodnienie substancji międzykomórkowej tkanki łącznej. Stanowi naturalną barierę chroniącą tkanki przed infekcją bakteryjną.
Skutkiem ataku reaktywnych rodzajów chemicznych tlenowych na kwas hialuronowy jest jego depolimeryzacja, u chorych z reumatoidalnym zapaleniem stawów błona stawowa syntetyzuje kwas hialuronowy o niższej masie cząsteczkowej.


BIBLIOGRAFIA
- Jan strzałko, Teresa Mossor – Pietraszewska „Kompendium wiedzy ekologii” – PWN, Warszawa – Poznań 1999;
- Henryk Wiśniewski, Grzegorz Kowalewski „Ekologia z ochroną i kształtowaniem środowiska” – AGMEN, Warszawa 1997;
- Halina Hłuszyk, Alina Stankiewicz „Słownik szkolny – Ekologia” – WSiP, Warszawa 1997;
- Encyklopedia Multimedialna PWN’99;
- Multimedialna Encyklopedia Powszechna – Fogra’98.