Kémia - Környezet - Életminõség

Papp Sándor
a kémiai tudomány doktora

Veszprémi Egyetem, Általános és Szervetlen Kémia Tanszék

 

A címben felsoroltak legalább két fogalom, a környezet és az életminõség definiálását elkerülhetetlenül megkívánják, különös tekintettel arra, hogy mindkettõnek létezik egy szélesebb és egy szûkítõ értelmû meghatározása.

Környezeten - széles értelemben - mindazon tényezõk összességét értjük, amelyek az ember létezésének fizikai, pszichikai, technikai, gazdasági és szociális feltételeit valamint viszonyait meghatározzák (szociológiai, térbeli és biológiai vagy ökológiai környezet). Ez a környezetdefiníció lehetõvé teszi, hogy a környezeti problémakör két alapvetõ kérdéscsoportját megragadhassuk: (1) a bioszféra antropogén immisszió általi terhelése és az ökológiai egyensúly megzavarása; (2) a megújuló és a meg nem újuló erõforrások mértéken felüli kihasználása, a biológiai létezés alapjainak veszélyeztetése.

A szûkebb értelmû környezetdefiníció a föld, a levegõ, a víz és a bennük található élõlények állapotát foglalja magában, kijelölve ily módon a környezetvédelem alapvetõ terrénumát.

A 20. század második felében kialakult értékminta szerint az általános vélekedés a jólétet (életszínvonal), amely a birtokolható anyagi javak mennyiségét és az igénybe vehetõ szolgáltatások összességét jelenti, az életminõség szinonimájaként vezette be. Ez a szûkítõ értelmezés nem veszi figyelembe, hogy az életminõség (jóllét) a materiális mellett spirituális tényezõket is feltételez, továbbá a kívánt, áhított életminõség megvalósulásához az egyéni síkon túlmenõen, a közállapotok (társadalmi sík) milyensége is meghatározó módon járul hozzá. S végül, az életminõség értelmezhetõ állapotként (komfortérzés) és megfogalmazható folyamatként is, amennyiben utóbbi teremtõ, alkotó folyamatban való participáció lehetõségét jelenti. 

1. ábra

A társadalom gazdaság természet hármas nagyrendszer

2.

A 20. század végének civilizációs társadalmai hármas nagyrendszerként modellezhetõk, amelynek egyes elemeit a társadalom (szocioszféra), a gazdaság (techno-ökonoszféra) és a természet (bioszféra) képezi. (1. ábra). A kapcsolatuk lényege a következõ: az emberi aktivitás a bioszférából nyersanyagokat és energiahordozókat von ki, s a techno-ökonoszférában azokból meghatározott célokra termékeket állít elõ. A termékek elõállítása, majd fogyasztása közben hulladék keletkezik, ami a bioszférát terheli. Ennek a folyamatnak (anyagcsere a természettel) - végsõ soron - az a lényege, hogy koncentrált nyersanyag- és energia-elõfordulásokat szüntetünk meg, s diszperz hulladékot hozunk létre (helyi, regionális illetve globális környezetterhelés). Techno-ökonoszférán általános értelemben azon objektumok összességét értjük, amelyek az emberi aktivitás termékei, és önmagukban a természetben nem jöhetnek létre.

A vázolt kapcsolatrendszerben a 20. század második felében két irányból is zavarok támadtak. Érzékelhetõvé vált, hogy a nyersanyag- és energiahordozó-források végesek, másfelõl a bioszféra hulladéktûrõ képessége csupán bizonyos határok között létezik, tehát nem korlátlan. Ma kényszerítõ erõvel fogalmazódik meg a kérdés: az erõforrásokkal történõ visszaélés (presztízsfogyasztás) milyen mértékben fosztja meg a jövendõ generációkat és a másfajta berendezkedésû társadalmakat az értelmes és elfogadható emberi létezés lehetõségétõl. Az egyre intenzívebbé váló bioszféra - techno-ökonoszféra kapcsolat - amelyet a szocioszféra értékstruktúrája és érdektagoltsága a gazdasági szféra egyre erõsödõ autonómiája miatt csökkenõ mértékben képes befolyásolni - a helyi gondokat globális méretûvé változtatta, s az emberiség történelme során eddig még nem tapasztalt kölcsönös gazdasági és környezeti függõséghez vezetett el.

Az elmondottak alapján kézenfekvõ, hogy az ökológiai és a technológiai-gazdasági alrendszerek szoros kapcsolata, kölcsönös függõsége nem engedi meg, hogy a jelentkezõ problémákat egymástól elválasszuk. Az ökológiai szempontok teljes figyelmen kívül hagyásával a technológiai és a gazdasági növekedés nem több, mint rövid távú rablógazdálkodás. Másként fogalmazva: az ökológia törvényeire érzéketlen gazdaság és fogyasztás hosszabb távon fenntarthatatlan, rövid távon pedig hatalmas károkat okoz.

A két alrendszer hosszútávú, a társadalom érdekében mûködõ egymáshoz illesztése - fenntartható rendszerben - teljesen eltérõ értéktartalmuk miatt nehezen valósítható meg. Hatékonyság, termelékenység, állandó növekedési kényszer (lineáris folyamatok), profit-orientáltság, mamut-technológiák, monokultúrák az egyik oldalon, míg a bioszféra értékei: sokszínûség, változatosság, körfolyamatok és öngyógyító képesség.

A két szféra idõskálájának egybevetése is igen tanulságos. A bioszféra "kész" világforma, míg a mûvi világ (második valóság) létrejövõ, készülõ, növekedõ. Változásai, átalakulásai rendkívül gyorsak a természet idõskálájához képest. (Az ásványolaj kitermelési sebessége ma mintegy hatmilliószorosa a képzõdési sebességének.)

A két alrendszer kapcsolata tehát ily módon kényszerkapcsolat, az egymáshoz illesztés alternatívája valaminõ optimalizációs folyamat eredménye lehet. Ennek megteremtése nem könnyû feladat, hiszen a techno-ökonoszféra autonómiája - mint arról már szó esett - rendkívül erõs, amit jól jellemez, hogy a 20. század végére már saját belsõ törvényeivel kívánja helyettesíteni mind a szocioszféra, mind a bioszféra törvényeit, s az utóbbi kettõ költségeit egyre kevésbé akarja magára vállalni, internalizálni.

 

3.

A kémiának, mint az anyag összetételével, szerkezetével, tulajdonságaival és átalakulásával foglalkozó tudománynak a techno-ökonoszférához kapcsolódó, annak "szolgálatában" mutatott kiemelkedõ teljesítményei jól ismertek. Ehhez csupán két adat: eddig több, mint ötmillió vegyületet szintetizáltunk, és jellemeztünk, s a kémiai ipar évente mintegy 150 millió tonna vegyianyagot állít elõ (The Handbook of Environmental Chemistry, Springer, 1986). Mindez hozzájárult ahhoz, hogy az emberi élet könnyebbé, biztonságosabbá és kényelmesebbé váljék, de ugyanakkor - más tényezõkkel együtt - elvezetett a népesség gyors növekedéséhez, valamint a tudomány és technológia expanziójához. Hogy mindez egyben a nyersanyagok és energiahordozók roppant tömegének kitermelésével (egy becslés szerint évi 105 Mt), következésképpen szervetlen és szerves vegyületek óriási mennyiségeinek természetes lelõhelyeikrõl való eltávolításával, s ugyanígy a hulladékok roppant tömegének a környezetbe történõ visszajuttatásával, tehát a természetben lejátszódó spontán kémiai folyamatok, az elemek biogeokémiai körforgásának megzavarásával és növekvõ mértékû rombolásával jár együtt, mindaddig nem játszott különösebb szerepet, amíg nem tudatosodott a felismerés, hogy a Föld véges rendszer, "s aki véges rendszerben végtelen növekedést képzel el, az vagy õrült, vagy közgazdász" (Kenneth Boulding). S minthogy a kémiát - legyen szabad ezt itt is kifejezésre juttatnunk - "nem õrültek és a dolog természetébõl fakadóan nem közgazdászok" mûvelik, a tudományág mûvelõiben bizonyára elkerülhetetlenül érlelõdõben van a "kopernikuszi fordulat", a kémia újabb szerepvállalási lehetõségeinek fokozódó felismerése. A természeti környezetben - ha úgy tetszik, maga a Föld, a földi ökoszféra egy roppant méretû reakciótér - az emberi aktivitás nyomán kialakuló zavarok jellegének felderítése, s a megzavart egyensúly helyreállítása vonzó, egyben komoly társadalmi rezonanciát és támogatást kiváltó kémikusi feladatvállalás lehet.

 

4.

A folyamatos anyag- és energiaáramlás alapján a Föld bármely önkényesen választott, természetes vagy csupán elvi határokkal rendelkezõ része nyitott rendszernek tekinthetõ, amelyben a szó valódi értelmében véve kémiai egyensúly nem létezik, ezek a rendszerek tehát kváziegyensúlyi rendszerek. Tetszõleges térfogatú rész, vagy tetszõleges szféra ún. dobozként kezelhetõ (2. ábra), amelybe anyag és energia áramlik, ezt követõen fizikai, kémiai és biológiai állapotváltozások játszódnak le, majd a térbõl anyag és energia távozik. A vizsgált részrendszerre érvényes az anyag-, az energia- és az impulzusmegmaradás törvénye. Az anyagmegmaradás törvénye nem csupán a rendszer teljes tömegére, hanem - a lehetséges kémiai reakciókat is figyelembe véve - bármely elegendõen hosszú élettartamú elemre, pl. izotópokra is alkalmazható. Mindazon fizikai vagy kémiai folyamatok, amelyek primer módon egy anyag koncentrációjának növekedéséhez vezetnek, ún. forrásként (Quelle) kezelendõk (Q), megfordítva, bármely folyamatot, amely az anyag koncentrációjának csökkenését eredményezi, (anyagkiáramlás, kémiai átalakulás) nyelõnek (Senke) nevezünk (S). Az anyagáram (mol s-1, kg s-1) egy komponens azon mennyiségét jelöli, amely idõegység alatt belép a rendszerbe, vagy a rendszerbõl távozik, míg az anyagáram sûrûsége a fázisátmenet kapcsán a felületegységre vonatkozó anyagáramot mutatja be (mol s-1m-2, kg s-1m-2). Globális léptékû anyagáram esetében tömeg-egységként a teragrammot (Tg) használják, ami a technikailag használatos megatonna (Mt) egységgel számszerûleg megegyezik. 

2. ábra

Az ökológiai rendszerek dobozmodellje

Bármely, a rendszerben tartózkodó véges koncentrációjú anyag számára a stacionárius rendszer meghatározott kapacitású rezervoárt (lelõhely) jelent. Tetszõleges anyagfajta tartózkodási ideje a rendszerben a másodperc tört része és évezredek közé eshet. A tartózkodási idõt - nem tekintve a kémiai reakciót, mint lehetséges forrást vagy nyelõt - átlagos áthaladási idõként definiálhatjuk, t (turnover), reciproka az áthaladási sebesség; 

t i = az i-edik komponens mennyisége a rendszerben / az i-edik komponens anyagárama

Stacionárius állapotban egy kémiai komponens koncentrációjára, ci a következõ összefüggés érvényes:

dci / dt = Q S = 0

Az ökológiai rendszer, mint az anyag komplex szervezõdési formája tehát élõ szervezetekbõl, élettelen környezetének komponenseibõl és technikai (antropogén) tényezõkbõl tevõdik össze, amelyek szerkezeti és funkcionális kapcsolatok révén tartoznak egybe. Az ökológiai rendszerek térben és idõben korlátosak, más rendszerekkel anyag és energiacserét folytatnak, éppen ezért külsõ tényezõk állapotukat megzavarhatják.

Elvileg bármely biotikus vagy abiotikus környezeti tényezõ képes arra, hogy az ökológiai rendszer stabilitásának határt szabjon abban az esetben, ha értéke azon tartományban mozog, amely az egyes organizmusok számára érvényes toleranciahatárral egybeesik. Egy ökológiai rendszernek azon képessége, hogy külsõ hatásokat kiegyenlítsen, és önmagát dinamikus egyensúlyban megõrízze, majdnem teljes egészében a különbözõ korlátozó tényezõk kombinációjától függ.

A kémiai elemeknek és a belõlük képzõdött vegyületeknek a természeti környezetben számos lehetõségük van arra, hogy biotikus vagy abiotikus partnerral kölcsönhatásba lépjenek. Bár viselkedésüket a környezetben is az ismert fizikai és kémiai alaptörtvények szabályozzák, a sokféle környezeti tényezõ és átalakulási lehetõség, továbbá a széles határok között változó koncentrációviszonyok miatt ezek a reakciók sokkal nehezebben áttekinthetõk, mint azok, amelyek laboratóriumban vagy kémiai technológiai folyamatokban mennek végbe.

A vegyületekre az ökológiai rendszerekben az jellemzõ, hogy transzport-, eloszlási, megoszlási és akkumulációs folyamatokban vesznek részt, kémiai, fotokémiai és biológiai reakciók során alakulnak át. Egy individuális részecske-fajtára (i) a koncentrációváltozás hajtóerejét az egyensúlyi helyzettõl való eltéréssel jellemezhetjük, amelyet a rendszer szabadentalpiája (G) definiál. A szabadentalpia k komponensbõl álló rendszer esetén a nyomás (P), a hõmérséklet (T), a felület (A) és az összetétel (n1, n2, ..., nk) függvénye. Egyensúlyi állapotban érvényes a következõ egyenlet:

dG = Vdp - SdT +

 ahol V, S, s illetve m i a térfogatot, az entrópiát, a specifikus szabad felületi entalpiát és az i-edik komponens kémiai potenciálját jelenti:

.

Minthogy az ökológiai rendszerek nyitottak, az egyensúlyi állapot esetükben csupán többé-kevésbé közelíthetõ meg. A természeti rendszerek reális viselkedésének leírása kapcsán tehát a következõ egyszerûsítõ feltételeket kell bevezetnünk:

azok a reakciók, amelyek a kiszemelt komponens tartózkodási idejéhez (turnover) képest nagyon gyorsan játszódnak le, egyensúlyra vezetnek;

azok a reakciók pedig, amelyek a kiszemelt komponens tartózkodási idejéhez képest nagyon lassan játszódnak le, figyelmen kívül hagyhatók.

Egy kémiai vegyület ökológiai viselkedésének leírásához a globális anyagmérleg megadása szükséges, de nem elégséges feltétel. Sokkal fontosabb, hogy az adott ökológiai rendszer mindenkori feltételei között lehetséges átalakulási és lebomlási mechanizmusokat ismerjük, s ezáltal a kiindulási anyagok, a köztitermékek és a végtermékek koncentrációjának idõbeli változását felderíthessük. Pl. a nehézfémek a természeti környezetben jellegzetes hatást mutatnak, ami a konkrétan elõforduló individuális kémiai részecskefajtától (species), s ily módon döntõen a kémiai mikrokörnyezettõl függ.

Következô rész


Vissza a tudományos ülés programjához