Загрязнение окружающей среды представляет собой поступление в природные системы веществ и энергии, способных нарушать их нормальное функционирование. Основные источники загрязнения делятся на антропогенные и естественные.
Антропогенные источники включают промышленность, транспорт, сельское хозяйство, бытовую деятельность человека. Промышленные выбросы содержат тяжелые металлы, органические растворители, кислоты и щелочи. Транспорт является источником оксидов азота, углеводородов, частиц сажи и угарного газа. Сельское хозяйство приводит к загрязнению нитратами, фосфатами и пестицидами, а бытовая деятельность — к накоплению бытовых отходов, пластика и синтетических моющих средств.
Естественные источники включают вулканическую активность, лесные пожары, выветривание минералов и биологические процессы. Несмотря на естественный характер, концентрации некоторых веществ могут достигать токсичных уровней в локальных условиях.
Загрязнение классифицируют по фазовому состоянию вещества: газовое, жидкое и твердое. Газовые выбросы содержат оксиды серы, азота, углерода, летучие органические соединения. Жидкие загрязнители — сточные воды, содержащие органику, металлы и химические соединения. Твердые загрязнители включают пыль, микро- и нанопластик, металлосодержащие частицы.
Загрязняющие вещества вступают в разнообразные химические реакции в атмосфере, гидросфере и литосфере.
В атмосфере наблюдаются реакции окисления и фотохимического разложения. Например, оксиды азота (NO, NO₂) при воздействии солнечного света образуют озон (O₃) и другие активные формы кислорода. Сернистый газ (SO₂) окисляется до серной кислоты (H₂SO₄), вызывая кислотные дожди, разрушающие экосистемы.
В водных системах происходит растворение и диссоциация кислот и оснований, комплексообразование и осаждение металлов. Тяжелые металлы (Pb²⁺, Cd²⁺, Hg²⁺) образуют труднорастворимые соединения с гидроксид-ионами и органическими лигандами, накапливаясь в донных отложениях. Органические загрязнители могут подвергаться микробной деградации, но образующиеся промежуточные продукты иногда более токсичны, чем исходные вещества.
В почве загрязнение проявляется адсорбцией химических веществ на коллоидах и минералах, миграцией в глубокие горизонты, а также биотрансформацией под действием почвенной микрофлоры. Фосфаты и нитраты могут вымываться в подземные воды, создавая угрозу для питьевого водоснабжения.
Загрязнение вызывает существенные изменения в биогеохимических циклах. Цикл углерода нарушается выбросами CO₂ и метана, усиливающими парниковый эффект. Цикл азота изменяется за счет избыточного внесения нитратов и аммония, вызывая эвтрофикацию водоемов. Цикл серы нарушается кислотными осадками, изменяющими кислотность почв и вод.
Металлы и органические загрязнители аккумулируются в пищевых цепях, вызывая биомагнификацию. Например, ртуть трансформируется в метилртуть в водных экосистемах, концентрируясь в хищниках и представляя угрозу для человека.
Очистка загрязненных сред базируется на химических, физико-химических и биологических методах.
Химические методы включают окисление, восстановление, осаждение и коагуляцию. Окислители (например, хлор, озон, пероксид водорода) разлагают органические вещества и уничтожают патогенные микроорганизмы. Восстановление применяют для обезвреживания металлов с высокой степенью окисления (Cr⁶⁺ → Cr³⁺). Осаждение с помощью щелочей или солей формирует нерастворимые соединения, пригодные для удаления.
Физико-химические методы включают фильтрацию, адсорбцию на активированном угле, ионный обмен, мембранные технологии. Эти методы эффективны для удаления растворенных и коллоидных загрязнителей.
Биологические методы используют микроорганизмы и растения, способные аккумулировать и разлагать загрязнители. Фиторемедиация и микробиологическая деградация органических соединений снижают концентрации токсинов до безопасного уровня.
Химические загрязнители оказывают токсическое, мутагенное, канцерогенное и гормональное воздействие. Тяжелые металлы нарушают работу нервной и эндокринной систем. Органические растворители и пестициды способны вызывать острые и хронические отравления. Загрязнение воздуха оксидами азота и углерода провоцирует заболевания дыхательных путей.
Экосистемные последствия включают снижение биологического разнообразия, разрушение пищевых цепей и деградацию почв. Эвтрофикация водоемов приводит к массовой гибели водных организмов, а кислотные осадки изменяют состав растительности и снижает продуктивность сельского хозяйства.
Ключевым этапом контроля является количественная и качественная оценка загрязняющих веществ. Анализ включает спектроскопические методы (AAS, ICP-OES), хроматографические методы (GC, HPLC), титриметрические и гравиметрические методы. Химические индикаторы позволяют определять pH, концентрации окислителей и восстановителей, органических веществ и металлов.
Индексы загрязнения, основанные на концентрациях и токсичности веществ, позволяют классифицировать степень загрязнения и оценивать эффективность очистки.