Химические основы экологии

ХИМИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ
ЭКОЛОГИИ

Учебное пособие

2-e издание, электронное

Москва
Лаборатория знаний
2022

УДК 574
ББК 28.080.1я73
Х46

С е р и я о с н о в а н а в 2009 г.
А в т о р с к и й к о л л е к т и в:
В. Ю. Орлов, А. Д. Котов, А. И. Русаков, И. В. Волкова

Х46
Химические основы экологии : учебное пособие / В. Ю. Орлов, А. Д. Котов, А. И. Русаков, И. В. Волкова. — 2-е изд., электрон. — М. : Лаборатория знаний, 2022. — 353 с. — (Учебник для
высшей
школы). — Систем.
требования:
Adobe
Reader
XI
;
экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-00101-983-1
В учебном пособии обобщены сведения о химических процессах,
происходящих при взаимодействии организмов и окружающей среды,
в том числе о воздействии человека на биосферу. Рассмотрены методы
организации систем мониторинга загрязнений.
Для студентов и аспирантов химических факультетов, а также для
студентов, обучающихся по направлениям «Экология» и «Биология».
УДК 574
ББК 28.080.1я73

Деривативное издание на основе печатного аналога: Химические основы экологии : учебное пособие / В. Ю. Орлов, А. Д. Котов, А. И. Русаков,
И. В. Волкова. — М. : Лаборатория знаний, 2018. — 350 с. : ил. — (Учебник
для высшей школы). — ISBN 978-5-906828-22-4.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных
техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать
от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-983-1
© Лаборатория знаний, 2018

ПРЕДИСЛОВИЕ

До середины 60-х гг. XX в. вопросы антропогенного воздействия и защиты окружающей среды рассматривались лишь в локальных масштабах, на 
уровне отдельных источников загрязнения. При этом упускались глобальные причины и следствия пагубного воздействия на природу. На сегодняшний день на любом уровне общества уже достигнуто понимание того, 
что состояние окружающей среды стало планетарным фактором, в значительной степени определяющим развитие как всей нашей цивилизации, 
так и отдельных групп населения в самых различных сферах —  социальной, технологической и др. Общепризнано, что формирование у будущих 
поколений экологического, природоохранного менталитета —  необходимое условие устойчивого развития общества. С этим связано и то, что 
экологическое образование является частью подготовки специалистов 
всех уровней и сфер деятельности —  естественно-научных, технических, 
гуманитарных. Экологическое, природоохранное мировоззрение базируется на основных положениях экологии —  науки о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания. Экологические проблемы 
вызывают затруднения при изучении и, конечно же, при их практическом 
разрешении, так как они многовекторны и охватывают целую систему отношений живых организмов и неживой природы.  Экология тесно связана с биологией, химией, химической технологией, сельским хозяйством 
и теоретической основой науки об окружающей среде (Environmental 
Science), которая изучает окружение человека, живую и неживую природу 
вокруг нас, взаимодействие между отдельными природными объектами.
В основе жизни, как и в основе изменения химического состава биосферы, лежат химические процессы. Для описания и управления их динамическим равновесием необходимо знание химических механизмов взаимодействия между отдельными подсистемами. В науках об окружающей 
среде часто используются понятия органической химии, физической химии 
и биохимии при формулировке законов, описывающих природные явления.
В блоке наук об окружающей среде можно выделить несколько направлений. И хотя такое разделение весьма условно и часто вызывает споры 
в научном сообществе, мы поддерживаем такой подход. Что же это за научные направления?
Наука о химических взаимодействиях между организмами и средой их 
обитания, особенно это касается воздействий на биологические процессы, 
получила название химической экологии. В ее задачи также входит изучение степени влияния отдельных видов антропогенных воздействий на живую природу и предсказание возможных экологических последствий химических загрязнений.

Предисловие

В рамках экологической химии (Ecological Chemistry) изучаются качественный и количественный состав антропогенных загрязнений биосферы 
в результате производственной и сельскохозяйственной деятельности человека, механизмы химических превращений веществ в окружающей среде. 
При решении этих проблем доминирующим является химический аспект. 
С экологической химией в значительной степени связана химия окружающей среды (Environmental Chemistry), нередко выделяемая в отдельную 
дисциплину. По одному из определений, она занимается изучением реакций и поведением химических веществ в водных средах, почве, зеленой 
атмосфере и действием на них техносферы. Химия окружающей среды, как 
и экологическая химия, занимается химическими аспектами окружающей 
среды, и названия этих наук в значительной степени могут считаться синонимами. 
Существующие учебники по химической экологии, химии окружающей 
среды представляют собой довольно пеструю картину. Особенностью зарубежных (англоязычных) учебников является подача материала «от самого 
начала» —  от строения атомов и молекул, общих закономерностей химических реакций, что в российской системе образования изучается в рамках 
фундаментальных химических дисциплин. В отечественных изданиях химия окружающей среды чаще всего рассматривает природные среды и воздействие на них техносферы. При этом в курс химии окружающей среды, 
как правило, включаются вопросы промышленной и инженерной экологии, 
проблемы, связанные с очисткой сточных вод или атмосферных выбросов. 
В настоящем пособии, предназначенном для студентов химических, биологических, экологических факультетов, авторы постарались связать химические взаимодействия организмов и среды их обитания в аспекте воздействия на биологические особенности живых систем, с учетом влияния 
антропогенных загрязнителей и продуктов их превращения в окружающей 
среде. Подробно рассмотрены химические процессы в природных средах 
и их влияние на состав компонентов биосферы, вопросы реакционной способности веществ антропогенного происхождения в абиотических и биотических процессах. Приведены материалы по мониторингу качества окружающей среды и подходам к снижению техногенной нагрузки.
Именно потому, что настоящее пособие выходит за пределы представленной выше классификации экологических дисциплин, авторы решили назвать ее «Химические основы экологии». Материал для пособия постепенно накапливался авторами в ходе выполнения собственных исследований 
по мониторингу окружающей среды, изучения превращений органических 
веществ в биосфере и реакционной способности ароматических систем. 
Обширный материал был нами систематизирован при подготовке курса 
лекций «Химические токсиканты в окружающей среде» для студентов-биологов и экологов факультета биологии и экологии Ярославского государственного университета им. П. Г. Демидова.
Мы заранее благодарны всем, кто сообщит нам свои замечания и пожелания по материалам предлагаемого пособия.
Авторы

ВВЕДЕНИЕ

Изменения в окружающей среде, отчетливо проявившиеся в последние 
десятилетия и связанные с планетарным масштабом хозяйственной деятельности человека, вызывают обоснованную тревогу. Загрязнение среды обитания живых организмов имеет своим следствием преобразование 
взаимоотношений последних с окружающим миром (что в значительной 
степени определяет обеднение биосферы) и ограничение ресурсных возможностей Земли. Решение задач, связанных с мониторингом, прогнозированием и минимизацией последствий загрязнения окружающей среды, 
рациональным природопользованием, все же относится к экологии — 
науки о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их 
обитания. Этот раздел знаний, охватывающий круг явлений в биосфере, 
тесно связан с биологией, химией, химической технологией, сельским 
хозяйством и др.
Взаимодействие организма и окружающей среды осуществляется на 
нескольких уровнях: молекулярном, биолого-географическом, социальном. 
Химический аспект проявляется во всех группах взаимоотношений, так как 
в основе процессов жизнедеятельности и изменения химического состава 
окружающей среды лежит химический акт —  превращение исходных веществ в продукты их трансформации. Любой химико-биологический процесс представляет собой совокупность элементарных химических стадий, 
определяющих механизм реакции.
Химические превращения в окружающей среде происходят циклически, 
т. е. химические элементы в биосфере совершают кругооборот (см. разд. 1.3), 
что придает биосфере определенную стабильность и обусловливает ее 
специфические свойства. На химическом уровне особенно ярко проявляется вклад деятельности человека в природные процессы. В настоящее время 
воздействие антропогенных факторов на круговорот многих веществ, в том 
числе токсичных для человека, сопоставимо с последствиями от природных 
катаклизмов, а порой и превосходит их. В биосфере циркулирует большое 
число ксенобиотиков (посторонних для живых организмов веществ) с высокой степенью токсичности, включая супертоксиканты, для которых понятие предельно допустимой концентрации (ПДК) не имеет смысла —  они 
практически необратимо аккумулируются в живых организмах и поэтому 
опасны при любой концентрации. Кроме того, превращение химических 
соединений в окружающей среде может приводить к образованию новых 
веществ различной степени опасности и, следовательно, к усложнению экологической ситуации. С учетом вышесказанного можно сделать вывод, что 
на живые организмы сегодня действуют ранее не известные факторы, при 
этом взаимодействие организма с окружающей средой усложняется.
Так как в основе жизненных процессов и изменений химического состава биосферы лежат химические реакции, для описания, прогнозирования 

Введение

и управления динамическим равновесием в биосфере необходимо знание 
механизмов взаимодействия между отдельными подсистемами. Эта область 
экологии оформилась в отдельную научную дисциплину —  химическую 
экологию. Четкое понимание природы основных химических процессов, 
протекающих в окружающей среде с участием как природных, так и синтезируемых соединений, позволяет прогнозировать и минимизировать последствия неблагоприятного изменения параметров биосферы.
В качестве одного из эффективных способов снижения химической нагрузки на биосферу следует отметить сформировавшийся в последние десятилетия подход, получивший название «зеленая химия» или химия в интересах устойчивого развития общества. «Зеленая химия» подразумевает 
переход от простой утилизации загрязнений к «конструированию» новых 
химических процессов, позволяющих снизить экологическую нагрузку на 
всех стадиях от производства энергии до утилизации отходов. При выборе между несколькими целевыми продуктами с необходимыми свойствами 
важным критерием является максимальная их безопасность для человека 
и окружающей среды.
В настоящем пособии рассмотрены химические процессы, протекающие 
в окружающей среде, источники, распространение, устойчивость и воздействие загрязнений окружающей среды, пути минимизации их образования.

ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 
ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В БИОСФЕРЕ

1.1. 
Факторы окружающей среды и их воздействие 
на живые организмы

Фундаментальные принципы решения стоящих перед человечеством природоохранных и природопользовательских проблем установлены экологией —  наукой о взаимоотношениях между живыми организмами и средой 
их обитания. В свою очередь, для того чтобы понимать, как составные 
части экосистем (организм и компонент окружающей среды) взаимодействуют, необходимо установить механизмы происходящих химических реакций.
Воздействие корректирующих параметров окружающей среды наблюдается как при взаимоотношениях между живыми организмами, так и при 
изменении характеристик биосферы (изменение содержания уже имеющихся компонентов, появление новых соединений). Условия среды, способные 
оказывать прямое или косвенное влияние на живые организмы, называются 
экологическими факторами.
Существует несколько классификаций экологических факторов среды. 
По традиционной классификации экологические факторы среды делятся 
на две категории: биотические (факторы живой природы) и абиотические 
(факторы неживой природы).
К  биотическим факторам относятся фитогенные (воздействие растительных организмов), зоогенные (воздействие животных), воздействие вирусов, простейших, бактерий, риккетсий и антропогенные (деятельность 
человека). 
К  абиотическим факторам относятся климатические —  свет, температура, влага, движение воздуха, давление; почвенные —  состав, влагоемкость, воздухопроницаемость, плотность; орографические —  рельеф, высота над уровнем моря, экспозиция склона; химические —  газовый состав 
воздуха, состав среды, концентрация, кислотность и состав грунтовых вод.
Химический аспект экологических взаимодействий проявляется для 
обеих групп факторов. Живые организмы, принадлежащие к растительному 
или животному царству, влияют на свое окружение путем взаимно перекрещивающегося действия различных молекул. Эти взаимодействия могут 
происходить между животными, между растениями, между животными 
и растениями.
Экологические факторы среды могут оказывать на живые организмы 
воздействия различного рода:
1) раздражающие, которые вызывают приспособительные изменения физиологических и биохимических функций (так, повышение температуры 
воздуха ведет к увеличению потоотделения у млекопитающих и, как 
следствие, к охлаждению тела);

1. Химические основы взаимодействий в биосфере

2) ограничивающие, которые обусловливают возможность существования 
организма только в определенных условиях (например, низкая температура, как и крайне высокая, препятствует жизнедеятельности многих организмов);
3) модифицирующие, которые вызывают анатомические и морфологи ческие 
изменения организмов (например, запыленность окружающей среды в индустриальных районах некоторых стран привела к появлению черных березовых пядениц —  бабочек, сохранивших светлую окраску в сельских 
местностях);
4) сигнальные, свидетельствующие об изменении других факторов среды.
В характере воздействия экологических факторов на живые организмы 
выявлен ряд общих закономерностей.
Воздействие химического компонента абиотического фактора на живые 
организмы выражается в наличии некоторых верхних и нижних границ допустимых колебаний отдельных показателей (соленость воды, рН, газовый 
состав и др.), т. е. в рамках определенного режима существования. Отрицательное воздействие может оказывать как недостаток какого-либо компонента, так и его избыток. Чем шире пределы какого-либо фактора, тем 
выше устойчивость к нему данного организма. При этом разные живые системы обладают различной выносливостью к изменению факторов окружающей среды. Так, дозы радиации, смертельные для человека, не являются 
таковыми для некоторых растений и животных.
Недостаточное или избыточное действие экологического фактора одинаково отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей. Область его 
благоприятного воздействия называется  зоной оптимума. Одни организмы 
выносят колебания в широких пределах, а другие —  в узких. Водные растения способны существовать в среде с рН ниже 7,5 (Isoetes и Sparganium), 
от 7,7 до 8,8 (Potamogeton и Elodea canadensis), от 8,4 до 9,0 (Typha angustifolia). Рыбы выносят рН в пределах от 5,0 до 9,0, но некоторые виды способны приспосабливаться к существованию при значении рН до 3,7. При 
рН10 вода гибельна для всех рыб. Необходимо учитывать неоднозначность действия фактора на разные функции организма. Оптимум для одних 
процессов может быть неблагоприятным для других. Например, температура воздуха выше 40 °С у холоднокровных животных увеличивает интенсивность обменных процессов в организме, но тормозит их двигательную 
активность, что приводит к тепловому оцепенению.
Лимитирующим фактором развития живых организмов является тот или 
иной элемент, концентрация которого минимальна и сдерживает развитие 
организма. Согласно  закону минимума Либиха [Либих, 1840], недостаток какого-либо вещества не компенсируется избытком остальных. Урожай культур часто лимитируется не теми элементами, которые необходимы 
в больших количествах (такими как СО2 и Н2О), а теми, которые потребляются в ничтожных количествах. Например, бор —  необходимый элемент 
питания растений, но его содержится в почве мало. Когда запасы бора исчерпываются в результате возделывания одной культуры, то рост растений 
прекращается, если даже другие элементы находятся в изобилии. Закон 

1.2. Химический состав биосферы 
9

Либиха строго применим только в стационарных условиях. Необходимо 
учитывать и наложение нескольких факторов. Так, высокая концентрация 
либо доступность одного вещества или действие другого (не минимального) фактора может изменять скорость потребления элемента питания, содержащегося в малом количестве. Иногда организм способен заменять (но 
только частично) дефицитный элемент другим, более доступным и химически близким ему. Например, некоторым растениям нужно меньше цинка, 
если они растут на свету, а моллюски, обитающие в местах, где есть много 
стронция, заменяют им частично кальций при построении раковины. Вместе с тем взаимная компенсация действия факторов среды имеет определенные пределы и полностью заменить один из них другим нельзя.
Оптимальная зона и пределы выносливости организмов к какому-либо 
из факторов среды могут смещаться в зависимости от того, с какой силой и в каком сочетании действуют одновременно другие факторы. Угроза 
замерзания выше при морозе с сильным ветром, нежели в безветренную 
погоду. Одновременное нахождение в воздухе озона и углеводородов при 
воздействии ультрафиолетового излучения приводит к образованию весьма 
токсичных пероксиацилнитратов (компонентов смога).

H3C

+  O 

CH2  +  O3

+  O2 

CH

+  NO2 

O
CH
H3C

H3C
O 

CH

O
H3C
C

H3C
O 

C

O
H3C
C

O
O

NO2

O
O

H3C
O 
C

O
H3C
C

O
O

Схема 1.1

1.2. 
 Химический состав биосферы

В ходе эволюции биосферы ограничения, налагаемые химическим составом внешней среды, в значительной степени определили природу и механизмы функционирования выживших организмов. И поэтому вопросы 
элементного состава частей планеты Земля (литосфера, атмосфера, гидросфера) являются определяющими для понимания процессов, протекающих в биосфере.

1. Химические основы взаимодействий в биосфере

Земля имеет массу 6 ∙ 1021 т и компоненты, ее формирующие, состоят 
из атомов более чем 80 различных химических элементов. Несмотря на изменения в самых разных масштабах времени и пространства, состав Земли 
как системы в целом остается удивительно постоянным. В последние годы 
стало особенно ясно, что крупные составные части земного шара, такие 
как ядро, мантия, кора, океаны, атмосфера и биосфера, в целом могут рассматриваться как сложная взаимодействующая система, в которой циклично 
происходит передача вещества от одной составной части к другой [Сивер, 
1983]. Об объемах этих частей резервуаров можно получить представление 
из табл. 1.1.
Набор химических компонентов биосферы Земли в значительной степени определяется ее элементным составом (табл. 1.2). Развитие и существование жизни на нашей планете должны определяться распространенностью 
химических элементов в поверхностных частях земной коры, в пределах 
которых существуют организмы. Основу этих частей, как и земной коры 
в целом, составляют горные породы, образующие литосферу. Если рассматривать весь блок живого вещества Земли, то можно считать, что его существование обусловлено особенностями распространенности химических 

Таблица 1.1. Относительные размеры резервуаров Земли [Андруз и др., 1999, с. 26]

Компонент
Масса, т

Мантия
  4 ∙ 1021

Ядро
1,9 ∙ 1021

Кора
 24 ∙ 1018

Гидросфера
2,4 ∙ 1018

Атмосфера
  5 ∙ 1015

Таблица 1.2. Химический состав Земли по основным элементам (% мас.)

Вселенная
Земля
 Земная кора
Океан
Атмосфера
Биосфера

H
77,00
Fe
35,0
О
46,60
О
85,800
N
75,5
O
53,00

Не
21,00
O
29,0
Si
29,50
H
11,000
О
23,2
С
39,00

O
 0,80
Si
14,0
Al
 8,20
Cl
 1,940
Ar
 1,3
H
 6,60

С
 0,30
Mg
14,0
Fe
 5,00
Na
 1,050
С
 9,3∙103
N
 0,50

Ne
 0,20
S
 2,9
Ca
 3,60
Mg
 0,130
Ne
 1,3∙103
Ca
 0,40

Fe
 0,10
Ni
 2,4
Na
 2,80
S
 0,090
Kr
0,45∙103
К
 0,20

S
 0,07
Ca
 2,1
К
 2,60
Ca
 0,041
He
  72∙106
Si
 0,10

N
 0,06
Al
 1,8
Mg
 2,10
К
 0,039
Xe
  40∙106
P
 0,10

Mg
 0,06
Na
 0,3
Ti
 0,57
Br
 0,007
H
  23∙106
Mg
 0,10

S
 0,04
P
 0,2
H
 0,22
С
 0,003
S
  70∙109
S
 0,07