పర్యావరణ రసాయన శాస్త్రం

ఈ వ్యాసం పర్యావరణంపై రసాయన అధ్యయనం గురించి. మరింత స్వచ్ఛమైన రసాయనాలను తయారు చేసే విధానం కొరకు, Green chemistry చూడండి.

ఫిన్లాండ్ (Finland) లోని చమురు లీకేజీ (oil spill) జరిగిన ప్రదేశంలో కలుషితం (contaminated) అయిన రాళ్లతో నింపిన తెల్లటి సంచులు. ఇటువంటి ప్రాంతాలను శుభ్రం చేయడానికి పర్యావరణ రసాయన శాస్త్రం ఎంతో సహాయపడుతుంది.

పర్యావరణ రసాయన శాస్త్రం (Environmental chemistry) అనేది ఒక ముఖ్యమైన విజ్ఞాన శాస్త్రం (science) విభాగం. సహజ సిద్ధమైన ప్రదేశాలలో జరిగే రసాయన ప్రక్రియలు, జీవరసాయన (biochemical) మార్పుల గురించి శాస్త్రీయంగా అధ్యయనం చేయడాన్ని పర్యావరణ రసాయన శాస్త్రం అని పిలుస్తారు. ఈ శాస్త్రం ప్రధానంగా మన భూమి చుట్టూ ఉండే గాలి (atmosphere), నేల (soil), నీరు (water) వంటి అంశాలలో రసాయనాలు ఎలా ప్రవర్తిస్తాయి అనే విషయాలను పరిశీలిస్తుంది.

చాలా మంది దీనిని హరిత రసాయన శాస్త్రం (green chemistry) అని అనుకుంటారు, కానీ ఈ రెండింటి మధ్య స్పష్టమైన తేడా ఉంది. హరిత రసాయన శాస్త్రం అనేది కాలుష్యం అసలు పుట్టకుండా, ముందే ఆపడానికి ప్రయత్నిస్తుంది. అంటే పరిశ్రమలలో తక్కువ కాలుష్యం వచ్చేలా కొత్త పద్ధతులను కనిపెడుతుంది. అయితే పర్యావరణ రసాయన శాస్త్రం మాత్రం ఇప్పటికే పర్యావరణంలోకి విడుదలైన రసాయనాలు ఎలా ప్రయాణిస్తాయి, అవి ఎలా మారుతాయి, గాలిలోనో లేదా నీటిలోనో కలిసినప్పుడు అవి ఎలాంటి ప్రభావం చూపుతాయి అనే విషయాలను లోతుగా చర్చిస్తుంది.

పర్యావరణ రసాయన శాస్త్రం అనేది ఒక అంతర్లీన శాస్త్రం (interdisciplinary science). అంటే ఇది కేవలం రసాయన శాస్త్రానికే పరిమితం కాదు. ఇందులో వాతావరణ రసాయన శాస్త్రం (atmospheric chemistry), జల రసాయన శాస్త్రం (aquatic chemistry), మృత్తిక రసాయన శాస్త్రం (soil chemistry) వంటి ఎన్నో విభాగాలు కలిసి ఉంటాయి. రసాయనాల పరిమాణాన్ని ఖచ్చితంగా కొలవడానికి ఇది విశ్లేషణాత్మక రసాయన శాస్త్రం (analytical chemistry) పద్ధతులను కూడా వాడుకుంటుంది. మానవ కార్యకలాపాల వల్ల, ప్రకృతిలో జరిగే జీవక్రియలు (biological activity) వల్ల మన చుట్టూ ఉన్న ప్రపంచం ఎలా మారుతుందో ఈ శాస్త్రవేత్తలు అధ్యయనం చేస్తారు.

ఈ పనిని సమర్థవంతంగా చేయడానికి శాస్త్రవేత్తలు ముందుగా సహజ పర్యావరణం (natural environment) గురించి అవగాహన కలిగి ఉండాలి. ప్రకృతిలో సహజంగా ఏ రసాయనాలు ఉంటాయి, అవి ఎంత పరిమాణంలో ఉండాలి అనే ప్రాథమిక విషయాలు తెలియాలి. ఒకవేళ సాధారణ స్థాయి కంటే రసాయనాలు ఎక్కువగా ఉంటేనే అది కలుషితం (contamination) అని మనం గుర్తించగలం. పర్యావరణ రసాయన శాస్త్రవేత్తలు (chemist) వాతావరణంలోని నమూనాలను సేకరించడానికి ప్రత్యేకమైన శాంప్లింగ్ (sampling) పరికరాలను ఉపయోగిస్తారు. వీటిని ఉపయోగించి సేకరించిన నమూనాలను పరీక్షల కోసం ప్రయోగశాల (laboratory) కు తీసుకువెళ్తారు.

కలుషితాలు కాలుష్య కారకాలు

పర్యావరణ రసాయన శాస్త్రంలో కలుషితం (contaminant) అనే పదానికి ఒక ప్రత్యేక అర్థం ఉంది. ఏదైనా ఒక రసాయన పదార్థం (chemical substance) ఉండకూడని చోట ఉంటే లేదా ఉండాల్సిన దానికంటే ఎక్కువ మొత్తంలో ఉంటే దానిని కలుషితం అని అంటారు. ఇవి ఎక్కువగా మనుషులు చేసే పనుల వల్లే ఏర్పడుతుంటాయి. చాలా మంది "కలుషితం" మరియు "కాలుష్య కారకం" (pollutant) అనే పదాలను ఒకేలా వాడుతుంటారు. కానీ ఒక చిన్న తేడా ఉంది. సాధారణంగా పర్యావరణానికి హాని చేసే పదార్థాన్ని మాత్రమే కాలుష్య కారకం అంటారు.

కొన్నిసార్లు ఒక పదార్థం కలుషితంగా ఉన్నా, అది వెంటనే ఎటువంటి హాని చేయకపోవచ్చు. కానీ కాలక్రమేణా అది విషపూరితంగా మారుతుందని శాస్త్రవేత్తలు గుర్తించవచ్చు. అందుకే ప్రజల ఆరోగ్యాన్ని కాపాడటంలో పర్యావరణ రసాయన శాస్త్రం కీలక పాత్ర పోషిస్తుంది. ఈ రంగంలో శాస్త్రవేత్తలు ముఖ్యంగా రెండు పదాలను ఎక్కువగా ఉపయోగిస్తారు:

గ్రాహకం (Receptor): రసాయనాల ప్రభావానికి లోనయ్యే వస్తువు లేదా జీవిని గ్రాహకం అంటారు. ఉదాహరణకు, రసాయనాలు కలిసిన నేల లేదా ఆ నీటిలో ఉండే చేపలు గ్రాహకాలుగా పనిచేస్తాయి.

సింక్ (Sink): రసాయనాలు ఒక చోట చేరి, ఇతర పదార్థాలతో చర్య జరిపే ప్రదేశాన్ని సింక్ అంటారు. ఉదాహరణకు, కార్బన్ సింక్ (carbon sink) గాలిలోని కార్బన్‌ను గ్రహించి తనలో ఉంచుకుంటుంది. కొన్ని రకాల సూక్ష్మజీవులు ఈ సింక్‌లలో ఉండే రసాయనాలను విచ్ఛిన్నం చేయడానికి సహాయపడతాయి.

పర్యావరణ సూచికలు

ప్రకృతి ఆరోగ్యంగా ఉందో లేదో తెలుసుకోవడానికి శాస్త్రవేత్తలు కొన్ని సూచికలను ఉపయోగిస్తారు. ముఖ్యంగా నీరు ఎంత స్వచ్ఛంగా ఉందో తెలుసుకోవడానికి మంచినీటి నాణ్యత పారామితులు (freshwater environmental quality parameters) వాడతారు. వీటిని ప్రకృతికి చేసే ఒక రకమైన "ఆరోగ్య పరీక్ష" అని చెప్పవచ్చు. సాధారణంగా ఉపయోగించే కొన్ని రసాయన కొలతలు కింద ఇవ్వబడ్డాయి:

సూచిక (Indicator)	ఇది దేనిని కొలుస్తుంది
కరిగిన ఆక్సిజన్ (DO)	చేపలు శ్వాస తీసుకోవడానికి నీటిలో ఎంత ఆక్సిజన్ ఉందో తెలుపుతుంది.
pH విలువ	నీరు లేదా నేల ఎంత ఆమ్లగుణాన్ని (acidic) లేదా క్షారగుణాన్ని (basic) కలిగి ఉందో చెబుతుంది.
TDS	నీటిలో కరిగి ఉన్న ఖనిజాలు, ఉప్పు వంటి పదార్థాల పరిమాణాన్ని చూపిస్తుంది.
భారీ లోహాలు (Heavy metals)	సీసం (lead), పాదరసం (mercury), కాడ్మియం (cadmium) వంటి ప్రమాదకర లోహాల ఉనికిని తెలుపుతుంది.
పోషకాలు (Nutrients)	వ్యవసాయం వల్ల నీటిలో కలిసే నైట్రేట్లు, భాస్వరం (phosphorus) స్థాయిలను కొలుస్తుంది.

ఒకవేళ ఈ సూచికలు కీటక సంహారిణులు (pesticides) వంటి రసాయనాల స్థాయి ఎక్కువగా ఉన్నట్లు చూపిస్తే, పర్యావరణం ప్రమాదంలో ఉందని అర్థం. నీటిలో పోషకాలు ఎక్కువైతే ఆల్గల్ బ్లూమ్స్ (algal blooms) ఏర్పడతాయి. ఇవి నీటిలోని ఆక్సిజన్‌ను మొత్తం తీసేసుకోవడం వల్ల చేపలు చనిపోతాయి.

అనువర్తనాలు

నిజ జీవితంలో ఎదురయ్యే ఎన్నో సమస్యలను పరిష్కరించడానికి పర్యావరణ రసాయన శాస్త్రం ఉపయోగపడుతుంది. కాలుష్యం ఎక్కడి నుండి వస్తోంది, అది ఎలా విస్తరిస్తోంది అనే విషయాలను ఇది వివరిస్తుంది.

భారీ లోహాల కాలుష్యం

పరిశ్రమలు కొన్నిసార్లు భారీ లోహాలు (heavy metals) కలిసిన వ్యర్థాలను భూమిలోకి వదులుతాయి. వర్షం పడినప్పుడు ఈ లోహాలు నదులు, సరస్సులలోకి చేరుతాయి. నీటిలోకి వెళ్ళిన తర్వాత, చేపలు మరియు మొక్కలు వీటిని పీల్చుకుంటాయి. మనుషులు ఆ చేపలను తిన్నప్పుడు, ఈ విషపూరిత లోహాలు మన శరీరంలోకి చేరుతాయి. ఇది చాలా ప్రమాదకరమైన విషయం.

చమురు లీకేజీలు విషపూరిత పదార్థాలు

సముద్రంలో చమురు లీకేజీ (oil spills) జరిగినప్పుడు, అవి PAHs వంటి ప్రమాదకర రసాయనాలను విడుదల చేస్తాయి. ఇవి చాలా విషపూరితమైనవి. వీటిలో చాలా రసాయనాలు క్యాన్సర్ కారకాలు (carcinogens), అంటే ఇవి క్యాన్సర్ వ్యాధిని కలిగించగలవు. పర్యావరణ రసాయన శాస్త్రవేత్తలు క్రోమాటోగ్రఫీ (chromatography) అనే పద్ధతిని ఉపయోగించి నీటిని పరీక్షిస్తారు. విషపూరిత పదార్థాల స్థాయి తక్కువగా ఉండేలా చూస్తారు. వీటిని సాధారణంగా బిలియన్‌లో భాగాలు (parts per billion - ppb) అనే ప్రమాణంతో కొలుస్తారు.

వ్యవసాయం మరియు రసాయనాల ప్రవాహం

వ్యవసాయం (agriculture) లో రైతులు పంటలు బాగా పండటానికి ఎరువులను వాడుతుంటారు. ఎక్కువ వర్షాలు పడినప్పుడు, ఈ ఎరువులు కొట్టుకుపోయి దగ్గరలోని వాగుల్లో చేరుతాయి. దీనివల్ల యూట్రోఫికేషన్ (eutrophication) అనే ప్రక్రియ జరుగుతుంది. దీనివల్ల నీటిలో మొక్కలు విపరీతంగా పెరిగిపోయి, ఆక్సిజన్‌ను వాడేస్తాయి. దీనివల్ల నీటిలోని ఇతర జీవులు చనిపోతాయి. నగరాల్లో కూడా వర్షపు నీరు రోడ్లు, పార్కింగ్ స్థలాల నుండి గ్యాసోలిన్ (gasoline) మరియు మోటారు ఆయిల్ వంటి వాటిని నీటి కాలువల్లోకి తీసుకెళ్తుంది. దీనినే పట్టణ ప్రవాహం (urban runoff) అంటారు.

విశ్లేషణ పద్ధతులు

పర్యావరణాన్ని అర్థం చేసుకోవడానికి శాస్త్రవేత్తలకు ఖచ్చితమైన సమాచారం అవసరం. దీని కోసం వారు పరిమాణాత్మక విశ్లేషణ (quantitative analysis) చేస్తారు. అంటే ఒక రసాయనం ఎంత మొత్తంలో ఉందో ఖచ్చితంగా కొలుస్తారు.

లోహాల పరీక్ష

చాలా తక్కువ మొత్తంలో ఉన్న లోహాలను గుర్తించడానికి రసాయన శాస్త్రవేత్తలు శక్తివంతమైన యంత్రాలను ఉపయోగిస్తారు:

AAS: కాంతిని ఉపయోగించి ఒక నమూనాలో ఎంత లోహం ఉందో ఇది గుర్తిస్తుంది.

ICP-MS: ఇది చాలా సున్నితమైన యంత్రం. చాలా తక్కువ పరిమాణంలో ఉన్న లోహాలను కూడా ఇది పసిగట్టగలదు.

సేంద్రీయ సమ్మేళనాల పరీక్ష

కీటక సంహారిణుల వంటి సేంద్రీయ రసాయనాలను ద్రవ్యరాశి వర్ణపట మాపనం (mass spectrometry) ద్వారా కొలుస్తారు. శాస్త్రవేత్తలు తరచుగా గ్యాస్ క్రోమాటోగ్రఫీ-మాస్ స్పెక్ట్రోమెట్రీ (GC/MS) ఉపయోగిస్తారు. ఇది రసాయనాలను విడదీసి, ఒక్కో రసాయనాన్ని విడివిడిగా గుర్తించడానికి సహాయపడుతుంది. కొన్ని కొత్త యంత్రాలు అయితే "ట్రిలియన్‌లో ఒక వంతు" (sub part per trillion) స్థాయిని కూడా గుర్తించగలవు. ఇది ఎంత సూక్ష్మమైనది అంటే, కొన్ని భారీ ఈత కొలనులలో ఉన్న నీటిలో కేవలం ఒక చుక్క నీటిని గుర్తించడం లాంటిది.

జీవసంబంధ రేడియోధార్మిక పరీక్షలు

రేడియోధార్మిక పదార్థాల కోసం శాస్త్రవేత్తలు పార్టికల్ కౌంటర్లు లేదా సింటిలేషన్ కౌంటర్ (scintillation counter) వాడతారు. రసాయనాలు జీవకణాలపై ఎంత ప్రభావం చూపుతున్నాయో చూడటానికి బయో అస్సే (bioassay) చేస్తారు. ఇప్పుడు PCR అనే కొత్త పద్ధతిని కూడా వాడుతున్నారు. ఇది నీటిలోని బ్యాక్టీరియాను వాటి DNA ద్వారా గుర్తించడానికి సహాయపడుతుంది.

ప్రముఖ పర్యావరణ రసాయన శాస్త్రవేత్తలు

ఈ రంగంలో ఎంతో మంది గొప్ప శాస్త్రవేత్తలు కృషి చేశారు. కొందరు రసాయన శాస్త్రంలో నోబెల్ బహుమతి కూడా పొందారు.

పాల్ క్రుట్జెన్ (Paul Crutzen), మారియో మోలినా (Mario Molina), మరియు ఎఫ్. షెర్వుడ్ రోలాండ్ (F. Sherwood Rowland): ఓజోన్ పొర ఎలా దెబ్బతింటుందో వివరించినందుకు వీరికి 1995లో నోబెల్ బహుమతి లభించింది.

ఆలిస్ హామిల్టన్ (Alice Hamilton): పని చేసే చోట రసాయనాలు ఆరోగ్యాన్ని ఎలా దెబ్బతీస్తాయో అధ్యయనం చేసిన మొదటి వ్యక్తి.

చార్లెస్ డేవిడ్ కీలింగ్ (Charles David Keeling): వాతావరణంలో కార్బన్ డయాక్సైడ్ పెరుగుతోందని "కీలింగ్ కర్వ్" ద్వారా నిరూపించారు.

క్లెయిర్ ప్యాటర్సన్ (Clair Patterson): గ్యాసోలిన్ నుండి సీసం తొలగించడంలో కీలక పాత్ర పోషించి, ప్రజల ఆరోగ్యాన్ని కాపాడారు.

రాచెల్ కార్సన్ (Rachel Carson): ఈమె జీవశాస్త్రవేత్త అయినప్పటికీ, ఆమె రాసిన పుస్తకాలు ప్రకృతిలో రసాయన కాలుష్యాల గురించి ప్రజలకు తెలిసేలా చేశాయి.

సంబంధిత అంశాలు

పర్యావరణ రసాయన శాస్త్రం ఇతర ఎన్నో విభాగాలతో ముడిపడి ఉంది. మీరు వీటి గురించి కూడా చదవవచ్చు:

పర్యావరణ పర్యవేక్షణ (Environmental monitoring): ప్రకృతిలో వచ్చే మార్పులను ఎలా గమనిస్తాం.

హరిత రసాయన శాస్త్రం (Green chemistry): పర్యావరణానికి హాని చేయని ఉత్పత్తులను ఎలా తయారు చేయాలి.

రసాయన విశ్లేషణ పద్ధతుల జాబితా: రసాయనాలను పరీక్షించే వివిధ మార్గాలు.

నీటి కాలుష్యం: మురికి నీరు మరియు దానిని శుభ్రం చేసే పద్ధతుల అధ్యయనం.

మరింత సమాచారం కోసం

Stanley E Manahan. Environmental Chemistry. CRC Press. 2004. ISBN 1-56670-633-5.

Andrews, J. E. et al. An Introduction to Environmental Chemistry. John Wiley & Sons. 2013. ISBN 978-1-118-68547-1.

Harrison, R.M. Understanding Our Environment, An Introduction to Environmental Chemistry and Pollution. Royal Society of Chemistry. 1999. ISBN 0-85404-584-8.