Ympäristökemia – määritelmä, tutkimus ja vaikutukset
Ympäristökemia selittää kemikaalien lähteet, kulkeutumisen ja vaikutukset ilmaan, veteen ja maaperään — tutkimus, päästöjen seuranta ja ratkaisut. Lue lisää.
Ympäristökemia on luonnossa esiintyvien kemiallisten ja biokemiallisten ilmiöiden tieteellistä tutkimusta. Ympäristökemia voidaan määritellä ilman, maaperän ja vesiympäristön kemiallisten lajien lähteiden, reaktioiden, kulkeutumisen, vaikutusten ja kohtaloiden tutkimukseksi sekä ihmisen toiminnan vaikutukseksi näihin. Ympäristökemia on monitieteinen tiede, johon kuuluu ilmakehän, vesistöjen ja maaperän kemia sekä analyyttinen kemia. Se liittyy ympäristö- ja muihin tieteenaloihin. Se eroaa vihreästä kemiasta, joka pyrkii vähentämään mahdollista saastumista sen lähteellä.
Ympäristökemian perusperiaatteet
Ympäristökemia alkaa ymmärtämällä, miten saastumaton ympäristö toimii. Siinä tunnistetaan luonnossa esiintyvät kemikaalit ja niiden luonnolliset lähteet sekä ihmisen tuomat lisätekijät. Tutkimuksessa mitataan kemikaalien pitoisuuksia ja pyritään selittämään, miten ja miksi pitoisuudet muuttuvat paikan ja ajan funktiona. Erityisenä huomiona ovat reaktiot ja kulkeutuminen ja niiden vaikutus kemikaalien kohtaloon ympäristössä.
Keskeiset tutkimusalueet
- Lähteet ja päästöt: luonnolliset lähteet (esim. maaperän mineraalit, kasvien eritteet) ja antropogeeniset lähteet (teollisuus, maatalous, liikenne, kulutustuotteet).
- Jakautuminen ja kulkeutuminen: miten aineet liikkuvat ilman, veden ja maaperän välillä, kulkeutuvat pitkiä matkoja tai paikallisesti kerääntyvät.
- Muutokset ja hajoaminen: kemialliset reaktiot, fotokemialliset prosessit, biologinen hajotus ja niiden nopeudet.
- Bioakkumulaatio ja biomagnifikaatio: kuinka yhdisteet kertyvät eliöihin ja siirtyvät ravintoketjun kautta.
- Vaikutukset ekosysteemeihin ja ihmiseen: toksisuus, haitalliset vaikutukset ekosysteemipalveluihin ja ihmisten terveyteen.
Menetelmät ja työkalut
Ympäristökemistit hyödyntävät kemian ja eri ympäristötieteiden käsitteitä tutkiessaan, mitä kemikaalille tapahtuu ympäristössä. Tutkimus yhdistää kenttämittaukset, laboratoriokokeet ja mallinnuksen. Tärkeimpiä menetelmiä ovat:
- Näytteenotto: edustavan näytteen ottaminen ilmasta, vedestä, sedimentistä tai biota:sta. Näytteenotto vaikuttaa suoraan analyysin laatuun.
- Analyyttiset tekniikat: kromatografia (GC, LC), massaspektrometria (MS, LC–MS, GC–MS), ICP-MS metallien määritykseen, spektrofotometria ja mikroskopia. Nämä mahdollistavat asti hyvin matalien pitoisuuksien (ng/l-taso) havaitsemisen.
- Analyysitekniikoiden lisäksi tarvitaan hyvä ymmärrys kemiallisten reaktioiden ja yhtälöiden soveltamisesta, liuosten käyttäytymisestä ja yksiköiden oikeasta käsittelystä.
- Mallinnus: kinetiikka-, kulkeutumis- ja multimedia-mallit (esim. Mackay-tyyppiset mallit) ennustavat aineiden kohtaloa eri ympäristömedia välillä.
Esimerkkejä tutkittavista yhdisteistä
Kenttätutkimuksissa ja laboratoriossa tutkitaan laajaa skaalaa yhdisteitä: raskasmetalleja (esim. lyijy, kadmium, elohopea), lyhyt- ja pitkäikäisiä orgaanisia yhdisteitä (pesticidit, PCB:t, dioksiinit), läpivalaisemattomia emergenttejä saasteita (lääkkeiden jäämät, hormonihäiritsijät), sekä mikromuovit ja nanopartikkelit. Tutkitaan myös biologisesti aktiivisia yhdisteitä, kuten feromoneja, jotka vaikuttavat ekosysteemin toimintaan.
Vaikutukset ja riskinarviointi
Ympäristökemian tutkimuksen avulla arvioidaan kemikaalien haitallisia vaikutuksia ympäristöön ja ihmisten terveyteen. Riskinarviointi yhdistää altistumisen arvioinnin ja toksikologiset tiedot. Erityishaasteita ovat seokset ja matalilla pitoisuuksilla ilmenevät vaikutukset sekä pitkäaikaiset ja krooniset altistukset.
Ehkäisy ja puhdistustekniikat
Ympäristökemia ei rajoitu pelkkään määritykseen, vaan kehittää myös keinoja ongelmien ratkaisemiseksi. Keskeisiä lähestymistapoja ovat:
- Lähdehaittojen vähentäminen: päästörajoitukset, tuotekehitys ja vihreä kemia tuotannossa.
- Puhdistustekniikat: fysikaalis-kemialliset käsittelyt, kemiallinen hajoitus, biologinen puhdistus (bioremediaatio), phytoremediaatio ja rakentuvat kosteikot.
- Valvonta ja sääntely: ympäristöseuranta, raja-arvot ja lainsäädäntö ohjaavat riskinhallintaa.
Tutkimusmenetelmät käytännössä
Tutkimuksessa yhdistetään usein kenttälähtöisiä havaintoja, laboratorio-experimentejä (esim. hajoamisnopeuden määritykset), mesokosmiasetelmat ja numeerinen mallinnus. Laboratoriokokeet auttavat määrittämään reaktiomekanismeja ja kinetiikkaa, kun taas kenttämittaukset paljastavat todelliset altistumistasot ja heterogeenisyydet.
Haasteet ja tulevaisuuden suuntaukset
Ympäristökemian eteen asettaa haasteita mm. uusien ja monitahoisten jäämien tunnistaminen, seosten toksisuuden ennustaminen, ilmastonmuutoksen vaikutukset kemiallisten aineiden käyttäytymiseen sekä datan ja näytteenoton standardisoinnin tarve. Tulevaisuudessa korostuvat myös kestävä kemian käyttö, digitaalinen kemia (esim. suurten tietoaineistojen ja koneoppimisen hyödyntäminen) sekä monialainen yhteistyö ekologian, terveystieteiden, lain ja insinööritieteiden kanssa.
Näytteenoton ja analyysien laatu varmistavat, että päätökset ympäristön suojelusta perustuvat luotettavaan tietoon. Ympäristökemian tutkimus on siten keskeinen osa ympäristönsuojelua, päätöksentekoa ja kestävän kehityksen edistämistä.
Kontaminaatio
Epäpuhtaus on aine, jota esiintyy luonnossa tavanomaista korkeampana pitoisuutena tai jota ei muuten esiintyisi luonnossa. Tämä voi johtua ihmisen toiminnasta. Termiä epäpuhtaus käytetään usein rinnakkain saastuttavan aineen kanssa, joka on aine, joka vahingoittaa ympäristöä. Vaikka saastuttaja määritellään joskus aineeksi, jota on ympäristössä ihmisen toiminnan seurauksena, mutta jolla ei ole haitallisia vaikutuksia, joskus on kuitenkin niin, että saastumisen myrkylliset tai haitalliset vaikutukset ilmenevät vasta myöhemmin.Epäpuhtauden tai epäpuhtauden vaikutuspiiriin kuuluvaa elinympäristöä (esimerkiksi maaperää) tai organismia (esimerkiksi kaloja) kutsutaan reseptoriksi. Nielu on kemiallinen väliaine tai laji, joka pidättää epäpuhtauden ja on vuorovaikutuksessa sen kanssa.
Ympäristöindikaattorit
Vedenlaadun kemiallisiin mittareihin kuuluvat liuennut happi (DO), kemiallinen hapenkulutus (COD), biokemiallinen hapenkulutus (BOD), liuenneen kiintoaineen kokonaismäärä (TDS), pH, ravinteet nitraatit ja fosfori, raskasmetallit (mukaan lukien kupari, sinkki, kadmium, lyijy ja elohopea) sekä torjunta-aineet.
Sovellukset
Ympäristökemiaa käyttävät ympäristövirasto (Englannissa ja Walesissa), ympäristönsuojeluvirasto (Yhdysvalloissa), julkisten analyytikoiden yhdistys (Association of Public Analysts) sekä muut ympäristövirastot ja tutkimuslaitokset ympäri maailmaa havaitakseen ja tunnistaakseen epäpuhtauksien luonteen ja lähteen. Näitä voivat olla mm:
- Teollisuuden aiheuttama maaperän raskasmetallipilaantuminen. Ne voivat sitten kulkeutua vesistöihin ja joutua elävien organismien käyttöön.
- Ravinteiden huuhtoutuminen maatalousmaasta vesistöihin, mikä voi johtaa leväkukintoihin ja rehevöitymiseen.
- Sateiden aikana läpäisemättömiltä pinnoilta (teiltä, parkkipaikoilta ja katoilta) huuhtoutuvien epäpuhtauksien kaupunkihuuhtouma. Tyypillisiä epäpuhtauksia ovat bensiini, moottoriöljy ja muut hiilivety-yhdisteet, metallit, ravinteet ja sedimentti (maaperä).
- Metalliorgaaniset yhdisteet.
Menetelmät
Kvantitatiivinen kemiallinen analyysi on keskeinen osa ympäristökemiaa, sillä se tarjoaa tiedot, jotka muodostavat useimpien ympäristötutkimusten perustan.Ympäristökemian kvantitatiivisiin määrityksiin käytetään yleisesti analyysitekniikoita, joihin kuuluvat klassinen märkäkemia, kuten gravimetriset, titrimetriset ja sähkökemialliset menetelmät. Hivenmetallien ja orgaanisten yhdisteiden määrityksessä käytetään kehittyneempiä menetelmiä. Metalleja mitataan yleisesti atomispektroskopialla ja massaspektrometrialla: Atomiabsorptiospektrofotometria (AAS) ja induktiivisesti kytketyn plasman atomiemissiotekniikka (ICP-AES) tai induktiivisesti kytketyn plasman massaspektrometriatekniikka (ICP-MS). Orgaanisia yhdisteitä mitataan yleisesti myös massaspektrometrisillä menetelmillä, kuten kaasukromatografia-massaspektrometrialla (GC-MS) ja nestekromatografia-massaspektrometrialla (LC/MS). Muut kuin MS-menetelmät, joissa käytetään GC:tä ja LC:tä, joissa on universaalit tai spesifiset ilmaisimet, ovat edelleen käytettävissä olevien analyysivälineiden perusvalikoimaa.
Muita ympäristökemiassa usein mitattavia parametreja ovat radiokemikaalit. Nämä ovat epäpuhtauksia, jotka säteilevät radioaktiivisia aineita, kuten alfa- ja beetahiukkasia, jotka aiheuttavat vaaraa ihmisten terveydelle ja ympäristölle. Näissä mittauksissa käytetään yleisimmin hiukkaslaskureita ja tuikelaskureita. Biomäärityksiä ja immunomäärityksiä käytetään kemikaalien myrkyllisyyden arvioimiseksi eri organismeihin kohdistuvien vaikutusten osalta.
Julkaistut analyysimenetelmät
Valtion virastot ja yksityiset tutkimusorganisaatiot ovat julkaisseet vertaisarvioituja testimenetelmiä. Hyväksyttyjä julkaistuja menetelmiä on käytettävä, kun testejä tehdään sääntelyvaatimusten noudattamisen osoittamiseksi.
Aiheeseen liittyvät sivut
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitä on ympäristökemia?
A: Ympäristökemia on luonnonpaikoissa esiintyvien kemiallisten ja biokemiallisten ilmiöiden tieteellistä tutkimusta. Siihen kuuluu kemiallisten lajien lähteiden, reaktioiden, kulkeutumisen, vaikutusten ja kohtaloiden ymmärtäminen ilmassa, maaperässä ja vesiympäristössä sekä se, miten ihmisen toiminta vaikuttaa näihin.
K: Miten ympäristökemia eroaa vihreästä kemiasta?
V: Ympäristökemian lähtökohtana on ymmärtää, miten saastumaton ympäristö toimii. Siinä tunnistetaan luonnossa esiintyvät kemikaalit ja tutkitaan niiden pitoisuuksia ja vaikutuksia. Vihreässä kemiassa pyritään vähentämään mahdollista saastumista sen lähteellä ennen kuin se pääsee ympäristöön.
K: Mitkä kemian käsitteet ympäristökemistien on tärkeää ymmärtää?
V: Kemian tärkeitä yleisiä käsitteitä ovat kemiallisten reaktioiden ja yhtälöiden, liuosten, yksiköiden, näytteenoton ja analyysitekniikoiden ymmärtäminen.
K: Millaisia yhdisteitä ympäristökemistit tutkivat?
V: Ympäristökemistit tutkivat biologisesti aktiivisia yhdisteitä, kuten feromoneja.
K: Mitä alueita ympäristötiede käsittää?
V: Ympäristötiede käsittää ilmakehän, vesien ja maaperän kemian sekä analyyttisen kemian.
Etsiä