Экспертно-аналитические мероприятия
Главная
Деятельность
|
|
ч. на бюджет
М.
Д. Дугаровой» за 2016-2017 годы
и истекшем периоде 2020 г.»
С.
Интервью. Публикации
В.Дисперсия государства. Каковы принципы и источники формирования нового правительства
В России идет политико-управленческая дисперсия государства: регулирующие функции рассеиваются между властными и околовластными агентами, что неизбежно приведет к формированию сначала умеренной, а затем все более выраженной полицентричности внутри государства.
Инициатива перестанет быть наказуемой
Восемнадцатого мая президент Владимир Путин и переназначенный премьер-министр Дмитрий Медведев наконец досогласовали кадровый состав нового кабинета министров. Правительство обновилось почти наполовину: из двадцати двух министров десять – новички. Процесс формирования исполнительной власти получился затянутым: кандидатуры обсуждались до последнего момента, а некоторые решения принимались вопреки изначальным планам или ожиданиям.
Все это показывает отношение президента к правительству, его месту в системе неформальных иерархий и механизмов принятия государственных решений: подбор кадров оказался на обочине реальной путинской повестки, которая по-прежнему касается в основном внешней политики. Это не путинское и не медведевское правительство. Это кабинет министров Медведева при Путине, структура менее техническая, чем прежний кабинет, и заметно более политизированная.
Предыдущее правительство Медведева было, пожалуй, самым техническим за всю современную историю России.
И связано это с тем, что получивший пост премьера бывший преемник, бывший президент был вынужден подбирать лишь те кадры, которые не раздражали ключевые кланы и группы влияния, но при этом не были бы слишком медведевскими.
Правительство молодых технократов, почти лишенное политического веса и авторитета, несмотря ни на что, продержалось шесть лет, хотя не обошлось и без существенных потерь – один министр едва не сел (Сердюков), другой (Улюкаев) получил восемь лет за вымогательство взятки, отдельные министры, особенно в первые два года, конфликтно покидали свои посты. Это было деполитизированное правительство, без собственной повестки дня и с аппаратным параличом.
Про новое правительство такого сказать нельзя. Оно соткано из представителей кланов, групп влияния, корпораций, политических назначенцев. В нем все еще много технических фигур, но это очевидно более тяжелый в политическом плане кабинет министров. Тут можно условно обозначить несколько ключевых источников его формирования, определивших политическую и бюрократическую природу новых и старых назначенцев.
Партия стабильности
До возвращения Путина на пост президента в 2012 году в России было принято различать две условные экономические партии: партию роста и партию стабильности. Первая выступала за наращивание госинвестиций в экономику, смягчение кредитно-денежной и бюджетной политики. Это традиционно министры экономики и промышленности, отдельные фигуры в Кремле (например, Андрей Белоусов или, в более радикальном варианте, Сергей Глазьев), близкие к власти бизнес-лоббисты, такие как Борис Титов.
Вторая – партия стабильности – представляла собой в основном Минфин и ЦБ, которые до последнего боролись за сохранение суверенных фондов, макроэкономическую и бюджетную стабильность, предлагали скорее копить, чем тратить.
Экономический спад 2013 года и последовавший затем геополитический кризис с санкциями и падением мировых цен на нефть сделали этот спор бессмысленным. «Денег нет, но вы держитесь», – говорил Медведев в мае 2016 года. Понятно, что раз денег нет, то и делить было нечего.
Сейчас партия стабильности укрепляется: выходцы из Минфина, в свое время работавшие с Алексеем Кудриным, занимают ключевые позиции в кабинете министров. Глава финансового ведомства Антон Силуанов становится первым вице-премьером; вице-премьером по социальной политике – бывшая замминистра финансов, бывшая глава Счетной палаты Татьяна Голикова.
Министром высшего образования и науки (того самого, что выделили из бывшего Министерства образования) стал руководитель ФАНО Михаил Котюков, в свое время работавший замом Силуанова. Котюков, хотя и сделал карьеру в окружении бывшего губернатора Красноярского края Александра Хлопонина, – типичный представитель партии стабильности. Именно ему было поручено руководить созданным в 2013 году Агентством научных организаций, политической задачей которого было отодвинуть ученых от управления их имуществом и деньгами. Эту же задачу он продолжит решать как министр, ведомство которого поглощает ФАНО.
Партия стабильности немногочисленна, но это будет самая влиятельная часть правительства: именно они становятся главными распорядителями бюджетных средств.
А статус Силуанова делает его вторым человеком в кабинете министров, закрепляя также формальный приоритет сбалансированной бюджетной политики. Положение этой условной группы будет во многом зависеть от степени наполненности федеральной казны: будут деньги – будет борьба за ресурсы (а значит, им придется несладко), не будет денег – их позиции останутся доминирующими.
Рабочие лошадки
В новом кабинете немало министров, которые не связаны с корпоративными кланами, глубоко и профессионально разбираются в вверенных им сферах, дистанцируются от всяких политических игр и вообще ведут себя как технократы. Однако техническими их назвать сложно в силу их опыта и степени интегрированности в государственную машину. Многие из них годами решали одни и те же задачи, и их несменяемость скорее объясняется страхом власти что-нибудь испортить лишним движением в часто обременительных и административно трудоемких сферах госуправления.
Среди таких рабочих лошадок – Ольга Голодец (культура и спорт), Максим Акимов (цифровая экономика, транспорт и связь), Алексей Гордеев (АПК), Юрий Трутнев (Дальний Восток).
Новичок среди них только Акимов, но именно он был ключевым куратором цифровой экономики в аппарате и стал ярким примером успешного восхождения молодого технократа с регионального уровня в федеральное правительство.
Только двоим из этих четырех вице-премьеров удалось добиться назначения соответствующими министрами своих людей: Акимов продвигал Константина Носкова на пост министра цифровой экономики, коммуникаций и связи; Трутнев – Александра Козлова на пост министра по делам Дальнего Востока (Козлов ранее был губернатором Амурской области, входящей в зону ответственности Трутнева).
Двум другим повезло меньше. Ольге Голодец придется иметь дело с неоднозначным и едва не отставленным Владимиром Мединским как министром культуры; Гордееву – с Дмитрием Патрушевым как министром АПК. Патрушев – бывший председатель правления Россельхозбанка и сын секретаря Совбеза Николая Патрушева, одна из заметных фигур в новом поколении управленцев, идущих на смену своим родителям.
Рабочих лошадок среди министров также немало: это сохранившие посты министр внутренних дел Владимир Колокольцев, министр труда и социального развития Максим Топилин, министр энергетики Александр Новак.
Решение оставить Колокольцева, которому последние два года пророчили отставку, возможно, было принято с учетом других перестановок в силовых структурах.
Политические назначенцы
В отличие от предыдущего правительства в нынешнем гораздо шире представлены политические назначенцы – те, кого отобрали лично Путин или Медведев. Ключевой фигурой для Медведева стал бывший глава Контрольного управления президента, некогда однокурсник премьера Константин Чуйченко. Пока трудно понять, сколько в этом перемещении выдавливания людей Медведева из президентской администрации, а сколько – укрепления правительства, но Медведеву явно потребовалось компенсировать уход из правительства его правой руки Аркадия Дворковича. Еще одним медведевцем остается министр юстиции Александр Коновалов (бывший студент премьера на юрфаке Санкт-Петербургского госуниверситета).
Путинцы в новом кабинете, конечно, очень условны: все члены правительства на сегодня могут быть в той или иной степени названы ставленниками президента страны.
Однако с некоторыми Путин либо работал еще до своего выхода на федеральный уровень, либо значительно сблизился в последние годы. По опыту работы в Санкт-Петербурге Путин знаком с Дмитрием Козаком (курирует промышленность и ТЭК) и Виталием Мутко (региональная политика и строительство) – оба остаются приближенными главы государства.
Еще два министра, имеющие персональное политическое значение для Путина, – это министр обороны Сергей Шойгу и глава МИД Сергей Лавров. Обоим уже года два пророчили отставку. Шойгу – за неудачи в Сирии, конфликт с ЧВК Вагнера и непростые отношения со спецслужбами; Лаврову – за возраст и усталость. Но эти два поста пока остались нетронутыми. Судя по тому, как сложно шло формирование правительства (фактически из-за занятости Путина международной повесткой), решения по Минобороны и МИДу, скорее всего, просто отложены, а заниматься кадрами в этой сфере президент будет тогда, когда будет больше ясности в вопросах перестановок в силовых органах и внешнеполитическом блоке.
Тут процесс не заканчивается, а только начинается.
Политическим назначенцем можно назвать и Евгения Зиничева – это одна из самых загадочных фигур в силовой среде. Он успел поработать и адъютантом Путина в ФСО, и начальником ФСБ по Калининградской области, и заместителем директора ФСБ (его активно сватали на место Александра Бортникова). Неудачным эпизодом его карьеры было лишь губернаторство в Калининградской области, продлившееся меньше трех месяцев.
Теперь Зиничев переведен на пост главы МЧС – сильнейший удар по позициям Шойгу, давно лоббировавшего присоединение МЧС к своему оборонному ведомству. Шойгу как бывший глава МЧС окончательно утратил влияние на эту структуру (его отношения с прежним министром Пучковым тоже со временем подпортились).
Корпоративные кланы и аппаратные игры
Влияние крупных корпораций и бизнес-групп в новом правительстве стало более выраженным. Значительное представительство сохраняет глава «Ростеха» Сергей Чемезов – с ним связывают вице-премьера по ОПК Юрия Борисова, министра промышленности и торговли Дениса Мантурова, министра здравоохранения Веронику Скворцову (особенно в том, что касается медицины).
Чемезов – единственный из приближенных к Путину друзей, выходцы из команды которого добиваются впечатляющих успехов в органах государственной власти. С ним связывают не только министров, но и, например, главу администрации президента Антона Вайно. Одна из причин кадровой успешности людей Чемезова – неконфликтность и технократичность чемезовской команды, чьи приоритеты при этом отлично вписываются в тренды последних лет: импортозамещение и поддержка отечественных отраслей, модернизация армии и цифровая экономика.
Министром природных ресурсов стал Дмитрий Кобылкин, ранее возглавлявший Ямало-Ненецкий автономный округ (ЯНАО). Бывший глава Пуровского района ЯНАО, поднявшийся до уровня губернатора, известен своей близостью к крупнейшему независимому производителю газа – «Новатэку» (собственниками которого являются среди прочих структуры Геннадия Тимченко).
Кобылкин был топ-менеджером дочерних компаний «Новатэка» – «Пурнефтегазгеология» и «Ханчейнефтегаз». По некоторым данным, к кандидатуре Кобылкина положительно относится нынешний мэр Москвы Сергей Собянин, чьим ставленником был губернатор Тюменской области Владимир Якушев (в состав этой области входит ЯНАО).
Теперь Якушев стал министром строительства и ЖКХ, что относится к ведению нового вице-премьера Виталия Мутко.
Стоит обратить особое внимание на перемещение губернаторов: вакантными стали посты глав Тюменской и Амурской областей и ЯНАО. Это еще один пример повышения ради ослабления: за влияние на назначение губернаторов борется внутриполитический блок президентской администрации, во многом его стараниями от региональной политики отстранили Дмитрия Козака. Теперь перемещение губернаторов наверх открывает вакансии во главе регионов, расширяя поле деятельности для кремлевских кураторов.
Среди министров и губернаторов часто любят искать ставленников тех или иных кланов. Однако роль этих отношений сложнее. Пока речь идет не столько о попытках расставить своих, сколько о непрерывной интеграции околовластных бизнес-групп с государственными структурами. Ради реализации политически значимых проектов происходит неизбежное сближение путинских бизнес-соратников с органами управления: Ротенберги, строившие Крымский мост, – с кураторами строительства; Ковальчуки, имевшие большое влияние в ядерной отрасли, – с кураторами науки; Чемезов, выполняющий гособоронзаказ и реализующий амбициозные проекты в медицине, – с ведомствами, отвечающими за промышленную политику и здравоохранение.
Однако все это не делает Козака ставленником Ротенберга или министра высшего образования и науки Котюкова ставленником Ковальчуков.
Тут скорее можно говорить о росте влияния и частных, и государственных корпораций на правительство. Такая интеграция будет только усиливаться из-за того, что госаппарату все чаще приходится заниматься управленческой рутиной без непосредственного участия первого лица, поглощенного возвышенными геополитическими задачами.
Формирование нового правительства завершено, но процесс обновления власти только начинается. Ожидаются кадровые перемены в администрации президента и силовых структурах, на уровне губернаторов. И это будут гораздо более значимые перемены, затрагивающие реальные механизмы функционирования вертикали, при которой новое правительство – лишь условный аппарат для реализации принятых за его пределами политических решений (таких, например, как повышение пенсионного возраста или налогов).
Характер функционирования нового кабинета министров будет задаваться не столько его собственным потенциалом, сколько активностью внешних структур.
В России идет политико-управленческая дисперсия государства: регулирующие функции рассеиваются между властными и околовластными агентами, что неизбежно приведет к формированию сначала умеренной, а затем все более выраженной полицентричности внутри государства. Инициатива перестанет быть наказуемой.
следующего автора:
- Татьяна Становая
Фонд Карнеги за Международный Мир как организация не выступает с общей позицией по общественно-политическим вопросам. В публикации отражены личные взгляды автора, которые не должны рассматриваться как точка зрения Фонда Карнеги за Международный Мир.
Физиология, кислотно-щелочной баланс – StatPearls
Введение
Для поддержания гомеостаза в организме человека используется множество физиологических приспособлений. Одним из них является поддержание кислотно-щелочного баланса. При отсутствии патологических состояний рН тела человека колеблется в пределах 7,35-7,45, в среднем 7,40. Почему этот номер? Почему бы не нейтральное число 7.
0 вместо слабощелочного 7.40? pH на этом уровне идеально подходит для многих биологических процессов, одним из наиболее важных из которых является насыщение крови кислородом. Кроме того, многие промежуточные продукты биохимических реакций в организме ионизируются при нейтральном рН, что затрудняет утилизацию этих промежуточных продуктов.
pH ниже 7,35 – это ацидемия, а pH выше 7,45 – алкалемия. В связи с важностью поддержания уровня рН в необходимом узком диапазоне в организме человека заложены компенсаторные механизмы. Это обсуждение призвано дать общее представление о кислотно-щелочном балансе в организме, а также предоставить систематический подход к пациентам, которые обращаются с состояниями, вызывающими изменения рН.
Человеческий организм испытывает четыре основных типа заболеваний, связанных с кислотой: метаболический ацидоз, метаболический алкалоз, респираторный ацидоз и респираторный алкалоз. Если возникает одно из этих состояний, человеческое тело должно вызвать противовес в виде противоположного состояния.
Например, если у человека метаболическая ацидемия, его организм попытается вызвать респираторный алкалоз для компенсации. Компенсация редко делает рН полностью нормальным на уровне 7,4. При использовании терминов ацидемия или алкалемия подразумевается, что в целом рН является кислым или щелочным, соответственно. Хотя это и не обязательно, может быть полезно использовать эту терминологию, чтобы различать отдельные процессы и общий рН-статус пациента, поскольку одновременно могут возникать множественные дисбалансы.[1][2]
Сотовый уровень
Базовое понимание дыхания на клеточном уровне важно для понимания кислотно-щелочного равновесия в организме человека. Аэробное клеточное дыхание необходимо для жизни человека; люди являются облигатными аэробами. Хотя отдельные клетки могут осуществлять анаэробное дыхание, для поддержания жизни необходимо присутствие кислорода. Одним из побочных продуктов аэробного клеточного дыхания является углекислый газ. Упрощенное химическое уравнение, обозначающее аэробное клеточное дыхание:
Первой стадией клеточного дыхания является гликолиз, при котором шестиуглеродная глюкоза расщепляется на две молекулы пирувата, каждая из которых содержит три атома углерода.
Гликолиз использует два АТФ и создает четыре АТФ, что означает, что он генерирует два чистых АТФ. Для этого процесса не нужен кислород. Поскольку у пациентов часто наблюдается дефицит, стоит отметить, что магний является кофактором двух реакций гликолиза.
В конце концов, молекулы пирувата окисляются и вступают в цикл трикарбоновых кислот. Цикл TCA генерирует NADH из NAD+, FADh3 из FAD и две молекулы АТФ. Это аэробный процесс, требующий кислорода. Пируват поступает в митохондрии и образует ацетил-КоА с потерей углекислого газа. Этот избыток углекислого газа затем выдыхается в процессе выдоха.
Последним этапом аэробного клеточного дыхания является цепь переноса электронов (ЭТЦ). ETC производит большую часть АТФ, образующегося при клеточном дыхании, при этом создается 34 молекулы АТФ. Для реакции ЭТС необходим кислород. Если кислорода недостаточно, продукты гликолиза вступают в реакцию, называемую ферментацией, с образованием АТФ. Побочным продуктом брожения является молочная кислота.
Во время гликолиза и цикла трикарбоновых кислот НАД+ восстанавливается до НАДН, а ФАД восстанавливается до ФАДч3. Восстановление характеризуется присоединением электронов. Это то, что движет ETC. На каждую отдельную молекулу глюкозы десять молекул НАД+ превращаются в молекулы НАДН, которые производят по три молекулы АТФ в ЭТЦ.
Этот процесс аэробного клеточного дыхания характеризует потребность людей в кислороде. Анаэробное дыхание позволяет организму производить некоторое количество АТФ при недостатке кислорода; однако в этом процессе образуется только два АТФ, в отличие от 38 АТФ, образующихся при аэробном дыхании. Двух молекул АТФ на реакцию недостаточно для поддержания жизни.
Как отмечалось выше, двуокись углерода образуется как побочный продукт цикла ТХУ. Этот углекислый газ способствует кислотно-щелочному балансу в организме, что демонстрируется следующей реакцией:
Углекислый газ, образующийся при клеточном дыхании, соединяется с водой с образованием угольной кислоты.
Затем угольная кислота диссоциирует на бикарбонат и ион водорода. Эта реакция является одной из многих буферных систем в организме человека; он противостоит резким изменениям pH, что позволяет человеку оставаться в узком физиологическом диапазоне pH. Эта буферная система находится в равновесии, т. е. все компоненты реакции существуют во всем организме и смещены в сторону уравнения, соответствующую среде. Эта реакция может происходить и происходит без фермента; однако карбоангидраза является ферментом, который помогает этому процессу. Он катализирует первую описанную выше реакцию с образованием угольной кислоты, которая затем может свободно диссоциировать на бикарбонат и ион водорода. Карбоангидраза находится в эритроцитах, почечных канальцах, слизистой оболочке желудка и клетках поджелудочной железы.
Другие буферные системы в организме человека включают фосфатную буферную систему, белки и гемоглобин. Все они содержат основания, которые принимают ионы водорода, которые удерживают рН от резкого падения.
Фосфатная буферная система, хотя и присутствует повсеместно, важна для регулирования рН мочи. Белки помогают с внутриклеточной регуляцией рН. Красные кровяные тельца используют описанную выше реакцию, чтобы помочь буферу гемоглобина; углекислый газ может диффундировать через эритроциты и соединяться с водой. Одно это вызвало бы увеличение ионов водорода; однако гемоглобин может связывать ионы водорода. Гемоглобин также может связывать углекислый газ без этой реакции. Это зависит от количества кислорода, связанного с гемоглобином. Это называется эффектом Холдейна и эффектом Бора. Когда гемоглобин насыщен кислородом, он имеет более низкое сродство к СО2 и ионам водорода и способен их высвобождать.[3][4]
Задействованные системы органов
Каждая система органов человеческого тела зависит от pH-баланса; однако почечная система и легочная система являются двумя основными модуляторами. Легочная система регулирует pH с помощью углекислого газа; при выдохе углекислый газ выбрасывается в окружающую среду.
Из-за того, что углекислый газ образует в организме угольную кислоту при соединении с водой, количество выдыхаемого углекислого газа может привести к увеличению или уменьшению pH. Когда дыхательная система используется для компенсации метаболических нарушений рН, эффект проявляется в течение нескольких минут или часов.
Почечная система влияет на рН за счет реабсорбции бикарбоната и выделения нелетучих кислот. Из-за патологии или необходимой компенсации почки выделяют или реабсорбируют эти вещества, влияющие на рН. Нефрон является функциональной единицей почки. Кровеносные сосуды, называемые клубочками, транспортируют вещества, содержащиеся в крови, в почечные канальцы, так что некоторые из них могут быть отфильтрованы, а другие реабсорбированы в кровь и переработаны. Это верно для ионов водорода и бикарбоната. Если бикарбонат реабсорбируется и/или кислота выделяется с мочой, рН становится более щелочным (увеличивается). Когда бикарбонат не реабсорбируется или кислота не выводится с мочой, рН становится более кислым (снижается).
Метаболическая компенсация со стороны почечной системы происходит дольше: дни, а не минуты или часы.
Функция
Физиологический рН человеческого тела необходим для многих процессов, необходимых для жизни, включая доставку кислорода к тканям, правильную структуру белка и бесчисленные биохимические реакции, которые зависят от нормального рН, чтобы быть в равновесии и завершены.
Доставка кислорода к тканям
Кривая диссоциации кислорода представляет собой график, изображающий зависимость парциального давления кислорода от насыщения гемоглобина. Эта кривая относится к способности гемоглобина доставлять кислород тканям. Если кривая смещена влево, это означает, что р50 снижен, что означает уменьшение количества кислорода, необходимого для насыщения гемоглобина на 50%, и увеличение сродства гемоглобина к кислороду. pH в щелочном диапазоне вызывает этот сдвиг влево. При снижении рН кривая смещается вправо, что свидетельствует о снижении сродства гемоглобина к кислороду.
Белковая структура
Значение белков в организме человека трудно переоценить. Они составляют ионные каналы, переносят необходимые липофильные вещества по всему нашему в основном липофобному телу и участвуют в бесчисленных биологических процессах. Чтобы белки могли выполнять необходимые функции, они должны иметь правильную конфигурацию. Заряды белков — это то, что позволяет им существовать в правильной форме. Когда рН изменяется за пределами физиологического диапазона, эти заряды изменяются. Белки денатурируются, что приводит к вредным изменениям в архитектуре, что приводит к потере надлежащего функционирования.
Биохимические процессы
В организме человека многие химические реакции находятся в равновесии. Одно из наиболее важных было ранее упомянуто с уравнением:
Принцип Ле Шателье утверждает, что, когда переменные концентрации, давления или температуры изменяются, система, находящаяся в равновесии, будет реагировать соответствующим образом, чтобы восстановить новое устойчивое состояние.
Для приведенной выше реакции это означает, что если образуется больше ионов водорода, уравнение сместится влево, так что образуется больше реагентов, и система может оставаться в равновесии. Так работают компенсационные механизмы pH; если присутствует метаболический ацидоз, почки не выделяют достаточное количество ионов водорода и/или не реабсорбируют достаточное количество бикарбоната. Дыхательная система реагирует увеличением минутной вентиляции (часто за счет увеличения частоты дыхания) и выделением большего количества CO2 для восстановления равновесия.[5]
Сопутствующее тестирование
Анализ газов артериальной крови – это тест, который часто проводится в стационаре для оценки кислотно-щелочного состояния пациента. Игла используется для забора крови из артерии, часто лучевой, и кровь анализируется для определения таких параметров, как pH, pCO2, pO2, HCO3, насыщение кислородом и другие. Это позволяет врачу лучше понять состояние пациента. ABG особенно важны для критически больных.
Они являются основным инструментом, используемым для адаптации к потребностям пациента на ИВЛ. Ниже приведены наиболее важные нормальные значения ABG:
pH = от 7,35 до 7,45
pCO2 = от 35 до 45 мм рт.ст.
pO2 = от 75 до 100 мм рт.ст.
90 066HCO3- = от 22 до 26 мэкв/л
O2 Sat = выше более 95 %
Способность быстро и эффективно читать ABG, особенно в отношении стационарной медицины, имеет первостепенное значение для качественного лечения пациентов.
Посмотрите на рН
Определите, является ли он ацидотическим, алкалотическим или находится в физиологических пределах
Уровень PaCO2 определяет вклад дыхания; высокий уровень означает, что дыхательная система снижает рН, и наоборот.
Уровень HCO3- обозначает метаболический/почечный эффект. Повышенный уровень HCO3- повышает pH и наоборот.
Если pH ацидотический, ищите число, соответствующее более низкому pH.
Если это респираторный ацидоз, уровень СО2 должен быть высоким. Если у пациента метаболическая компенсация, HCO3- также должен быть высоким. Метаболический ацидоз будет показан при низком уровне HCO3-.Если рН щелочной, снова определите, какое значение является причиной этого. Респираторный алкалоз будет означать низкий уровень CO2; метаболический алкалоз должен давать высокий HCO3-. Компенсация с любой системой будет отражаться противоположным образом; для респираторного алкалоза метаболический ответ должен быть низким HCO3-, а для метаболического алкалоза респираторный ответ должен быть высоким CO2.
Если уровень pH находится в физиологическом диапазоне, но PaCO2 и/или содержание бикарбоната не в пределах нормы, вероятно, имеется смешанное расстройство. Также не всегда происходит компенсация; это когда клиническая информация становится первостепенной.
Иногда трудно установить, есть ли у пациента смешанное расстройство. Это обсуждается позже.
Если это респираторный ацидоз, уровень СО2 должен быть высоким. Если у пациента метаболическая компенсация, HCO3- также должен быть высоким. Метаболический ацидоз будет показан при низком уровне HCO3-.
Другие тесты, которые важно выполнять при анализе кислотно-щелочного состояния пациента, включают тесты, которые измеряют уровень электролитов и функцию почек. Это помогает клиницисту собрать информацию, которую можно использовать для определения точного механизма кислотно-щелочного дисбаланса, а также факторов, способствующих расстройству.
Патофизиология
Увеличенный анионный промежуток Метаболический ацидоз
Первичный метаболический ацидоз, то есть первичное нарушение кислотно-щелочного баланса, имеет множество причин. Они делятся на те, которые вызывают большую анионную щель, и те, которые этого не делают. Анионный разрыв плазмы помогает врачам определить причину метаболического ацидоза. При наличии метаболического ацидоза измеряют определенные ионы в крови, что помогает определить этиологию ацидемии. Анионная щель увеличивается всякий раз, когда теряется бикарбонат из-за его соединения с ионом водорода, который ранее был присоединен к сопряженному основанию.
Когда бикарбонат соединяется с ионом водорода, получается угольная кислота (h3CO3). Сопряженным основанием может быть любой отрицательно заряженный ион, не являющийся бикарбонатом или хлоридом.
Формула анионной щели:
[Na]-([Cl]+[HCO3])
Люди электрически нейтральны, но все катионы и анионы не измеряются. Нормальная анионная щель равна 8 +/- 4. Большая часть этого числа приходится на альбумин; этот анион не учитывается в формуле, что является серьезной причиной того, что разрыв не приближается к нулю. Альбумин обычно составляет 4 мг/дл. Из-за сильного влияния альбумина на анионный интервал, если уровень альбумина у пациента ненормальный, его ожидаемый анионный интервал не будет точным. Это можно исправить с помощью простой математики. Нормальный анионный интервал и уровень альбумина различаются в три раза (нормальный анионный интервал 12, нормальный альбумин 4 мг/дл). Если у пациента анионный интервал равен 24, это означает, что присутствует 12 звеньев конъюгированного основания, что обычно не связано с комбинацией ионов водорода с бикарбонатом.
Если у этого же пациента уровень альбумина составляет 3 мг/дл, ожидаемый анионный разрыв должен составлять около 9 ммоль/л.. Это означает, что присутствует не 12 единиц сопряженного основания, а 15 единиц.
Более сложным методом анализа вклада ионов в изменения pH является сильное различие ионов/сильная ионная щель. Этот метод подчеркивает влияние других ионов на кислотно-щелочной баланс и полезен для изучения кислотно-щелочного баланса. Однако этот подход более обременительный, чем стандартная анионная щель, и требует больше вычислений. Поэтому многие считают, что его использование в клинической практике ограничено.
Мнемоника MUDPILES классически использовалась для обучения студентов причинам метаболического ацидоза с высоким анионным интервалом. MUDPILES означает метанол, уремию, диабетический кетоацидоз, паральдегид, инфекцию, молочнокислый ацидоз, этиленгликоль и салицилаты. В качестве улучшения было предложено использовать новую мнемонику GOLDMARK. GOLDMARK — это анаграмма для гликолей (этилена и пропилена), оксопролина, лактата, метанола, аспирина, почечной недостаточности и кетонов.
Если у пациента анионный интервал больше 12, эти мнемоники помогают вспомнить возможные причины расстройства.[7][8]
Метаболический ацидоз с узкой анионной щелью
Если ацидоз связан с нормальным анионным интервалом, происходит потеря бикарбоната, а не повышенное количество ионов водорода, с сопутствующим увеличением ионов хлора. Для поддержания физиологического нейтрального состояния ионы хлора мигрируют из клеток во внеклеточное пространство. Это вызывает повышение уровня хлоридов в сыворотке пациента и поддерживает анионный интервал на нормальном уровне. Это означает, что метаболический ацидоз без аномального анионного промежутка также является гиперхлоремическим метаболическим ацидозом. Метаболический ацидоз без увеличения анионного разрыва возникает в результате многих процессов, включая тяжелую диарею, ацидоз почечных канальцев I типа (RTA), длительное применение ингибиторов карбоангидразы и отсасывание желудочного содержимого. Когда у пациента гиперхлоремический ацидоз с узкой ионной щелью, врач может рассчитать анионную щель мочи (UAG), чтобы помочь определить этиологию.
Ниже приводится уравнение для анионного разрыва мочи, где Na – натрий, K – калий, Cl – хлорид:
(Na + K) – Cl
метаболический ацидоз за счет выделения аммония (Nh5+) с мочой. UAG от 20 до 90 мЭкв/л означает низкую или нормальную секрецию Nh5+. Один между -20 мэкв/л и -50 мэкв/л предполагает, что основной причиной метаболического ацидоза является длительная тяжелая диарея.
Еще одна важная формула для использования при метаболическом ацидозе — формула Винтера. Это уравнение дает клиницисту ожидаемое значение PCO2. Это важно, потому что может присутствовать другое кислотно-щелочное расстройство.
Формула Винтера:
Если значение PCO2 находится в пределах диапазона ожидаемого PCO2, смешанное расстройство отсутствует, имеется только респираторная компенсация. Когда значение ниже или выше ожидаемого, имеет место смешанное расстройство; более низкий уровень означал бы респираторный алкалоз, а более высокий – респираторный ацидоз.
Упрощение формулы Винтера состоит в том, что последние две цифры pH +/- 2 примерно равны ожидаемому PCO2.[9][10]
Респираторный ацидоз
Во время выдоха углекислый газ, образующийся в результате клеточного дыхания, выбрасывается в окружающую среду. В организме человека углекислый газ соединяется с водой через карбоангидразу и образует угольную кислоту, которая диссоциирует на ион водорода и бикарбонат. Вот почему снижение частоты дыхания приведет к снижению pH; чем больше углекислого газа выдыхается, тем меньше углекислого газа присутствует в этой реакции.
Респираторный ацидоз как первичное заболевание часто вызывается гиповентиляцией. Это может быть связано с несколькими причинами, включая хроническую обструктивную болезнь легких, злоупотребление/передозировку опиатов, тяжелое ожирение и черепно-мозговую травму. Когда возникает респираторный ацидоз, метаболический ответ должен заключаться в увеличении количества бикарбоната через почечную систему. Это происходит не всегда, и почечная патология может легко препятствовать соответствующей физиологической реакции, приводя к повышенной опасности для больного.
Метаболический алкалоз
Метаболический алкалоз также можно разделить на две основные категории, которые помогают установить причину: чувствительный к хлоридам и не чувствительный к хлоридам. При метаболическом алкалозе, не реагирующем на хлориды, содержание хлоридов в моче составляет < 20 мЭкв/л. Некоторые причины включают рвоту, гиповолемию и прием диуретиков.
Респираторный алкалоз
Любая патология, приводящая к усилению выделения углекислого газа, может привести к респираторному алкалозу. Когда избыток CO2 выдыхается, pH человеческого тела увеличивается из-за того, что образуется меньше углекислоты. Физиологически соответствующей компенсацией является уменьшение количества бикарбоната, вырабатываемого почечной системой. Некоторые причины респираторного алкалоза включают панические атаки с гипервентиляцией, легочную эмболию, пневмонию и интоксикацию салицилатами.[11]
Клиническое значение
Кислотно-щелочное равновесие в организме человека является одним из важнейших физиологических процессов.
Клиническое значение кислотно-щелочного баланса трудно отрицать. Некоторые из наиболее частых госпитализаций связаны с заболеваниями, которые могут опасно повлиять на кислотно-щелочной баланс. Вот почему для клиницистов важно понимать основные принципы, управляющие этой частью человеческого гомеостаза.
Контрольные вопросы
Доступ к бесплатным вопросам с несколькими вариантами ответов по этой теме.
Комментарий к этой статье.
Ссылки
- 1.
Cao Y, Wang M, Yuan Y, Li C, Bai Q, Li M. Газ артериальной крови и кислотно-щелочной баланс у пациентов с синдромом гипертензии, вызванной беременностью. Эксперт Тер Мед. 2019 Январь; 17 (1): 349-353. [Бесплатная статья PMC: PMC6307481] [PubMed: 30651802]
- 2.
Кастро Д., Патил С.М., Кинаган М. StatPearls [Интернет]. Издательство StatPearls; Остров сокровищ (Флорида): 12 сентября 2022 г. Газы артериальной крови. [В паблике: 30725604]
- 3.
Патель С., Шарма С. StatPearls [Интернет]. Издательство StatPearls; Остров сокровищ (Флорида): 21 июня 2022 г. Респираторный ацидоз. [PubMed: 29494037]
- 4.
Brinkman JE, Sharma S. StatPearls [Интернет]. Издательство StatPearls; Остров сокровищ (Флорида): 18 июля 2022 г. Физиология, метаболический алкалоз. [PubMed: 29493916]
- 5.
Brinkman JE, Sharma S. StatPearls [Интернет]. Издательство StatPearls; Остров сокровищ (Флорида): 25 июля 2022 г. Респираторный алкалоз. [В паблике: 29489286]
- 6.
Райкумар П., Плузник Дж.Л. Кислотно-щелочное регулирование в проксимальных канальцах почек: использование новых датчиков pH для поддержания гомеостаза. Am J Physiol Renal Physiol. 2018 01 ноября; 315(5):F1187-F1190. [Бесплатная статья PMC: PMC6293293] [PubMed: 30066586]
- 7.
Burger M, Schaller DJ. StatPearls [Интернет]. Издательство StatPearls; Остров сокровищ (Флорида): 19 июля 2022 г.
Метаболический ацидоз. [PubMed: 29489167]- 8.
Марано М. [Об использовании формулы Винтерса при хроническом метаболическом ацидозе]. Преподобный Псикиатр Салуд Мент. 2015 янв-март;8(1):45-6. [PubMed: 25434279]
- 9.
Беренд К. Обзор диагностической оценки метаболического ацидоза с нормальным анионным интервалом. Почки Dis (Базель). 2017 дек;3(4):149-159. [Бесплатная статья PMC: PMC5757610] [PubMed: 29344509]
- 10.
Шарма С., Хашми М.Ф., Аггарвал С. StatPearls [Интернет]. Издательство StatPearls; Остров сокровищ (Флорида): 18 августа 2022 г. Гиперхлоремический ацидоз. [В паблике: 29493965]
- 11.
Рафаэль К.Л., Ix JH. Корреляция содержания аммония в моче и осмолярного разрыва мочи у реципиентов почечного трансплантата. Clin J Am Soc Нефрол. 2018 06 апреля; 13 (4): 638-640. [Бесплатная статья PMC: PMC5969467] [PubMed: 29519951]
Метаболический ацидоз. [PubMed: 29489167]pH воды – Системы измерения окружающей среды
Что такое pH?
pH – это определенное значение, основанное на определенной шкале, аналогичной температуре.
Это означает, что рН воды не является физическим параметром, который можно измерить как концентрацию или количество. Вместо этого это число от 0 до 14, определяющее, насколько кислым или щелочным является водоем по логарифмической шкале ¹. Чем меньше число, тем более кислая вода. Чем выше число, тем оно более базовое. pH 7 считается нейтральным. Логарифмическая шкала означает, что каждое число ниже 7 в 10 раз более кислое, чем предыдущее число при обратном отсчете. Точно так же при подсчете выше 7 каждое число в 10 раз больше основного, чем предыдущее число ².
pH означает «сила водорода» ³. Численное значение pH определяется молярной концентрацией ионов водорода (H+) ³. Для этого возьмем отрицательный логарифм концентрации H+ (-log(H+)).
Например, если раствор имеет концентрацию H+ 10 -3 М рН раствора будет -log(10 -3 ), что равно 3.
Это определение обусловлено влиянием ионов водорода (Н+) и ионов гидроксила (ОН-) на рН. Чем выше концентрация H+, тем ниже pH, чем выше концентрация OH-, тем выше pH. При нейтральном рН 7 (чистая вода) концентрация как ионов Н+, так и ионов ОН- составляет 10⁻⁷ М. Таким образом, ионы Н+ и ОН- всегда спарены – при увеличении концентрации одного концентрация другого будет уменьшаться; независимо от рН сумма ионов всегда будет равна 10⁻¹⁴ М². Из-за этого влияния H+ и OH- связаны с основными определениями кислот и оснований.
Кислоты и основания
Кислотно-основные пары могут нейтрализовать друг друга, как H+ и OH- в этом уравнении. Согласно рабочему определению, кислота — это вещество, которое снижает pH при добавлении в чистую воду. Точно так же основание — это вещество, которое увеличивает pH воды ⁴. Для дальнейшего определения этих веществ Аррениус определил в 1884 году, что кислота выделяет ион водорода (H+) при растворении в воде, а основание выделяет ион гидроксила (OH-) в воде ⁴.
Однако есть некоторые вещества, которые соответствуют рабочему определению (изменение рН), но не соответствуют определению Аррениуса (высвобождение иона). Чтобы учесть это, Бренстед и Лоури изменили определение кислот и оснований; кислота высвобождает ион водорода или протон (эквивалент H+), а основание принимает ион водорода или протон ⁴. Это означает, что кислоты и основания могут компенсировать друг друга, как показано в уравнении воды справа.
Основной или щелочной
Типичные примеры щелочей включают магнезиальное молоко – Mg(OH)2, едкий калий – KOH, гашеную известь/известковую воду – Ca(OH)2 и едкий натр (щелок) – NaOH. Термины «щелочной» и «основной» означают примерно одно и то же. Согласно определению Бренстеда-Лоури, основание описывает любое вещество, которое снижает концентрацию ионов водорода и увеличивает рН воды, или, другими словами, основание ⁴. Щелочной происходит от щелочи, которая относится к ионным соединениям (солям), содержащим элементы щелочного металла или щелочноземельного металла, которые образуют гидроксид-ионы при растворении в воде ⁵.
Щелочные соли очень распространены и легко растворяются. Из-за образующихся ими гидроксид-ионов (которые повышают pH) все щелочи являются основаниями. Некоторые источники определяют любое растворимое основание как щелочь ⁵. Таким образом, растворимые основания можно описать как «основные» или «щелочные». Однако нерастворимые основания (например, оксид меди) следует описывать только как основные, а не щелочные.
Щелочность и pH воды
Щелочность и pH напрямую связаны при 100% насыщении воздухом. Щелочность не относится к щелочам, как к щелочным ⁶. Хотя щелочность и pH тесно связаны между собой, между ними есть явные различия. Щелочность воды или раствора — это количественная способность этого раствора буферировать или нейтрализовать кислоту. Другими словами, щелочность — это мера способности воды противостоять изменениям рН. Этот термин используется взаимозаменяемо с кислотонейтрализующей способностью (ANC) ⁷. Если водоем имеет высокую щелочность, это может ограничить изменения pH из-за кислотных дождей, загрязнения или других факторов ⁸.
Щелочность ручья или другого водоема повышается за счет богатых карбонатами почв (карбонатов и бикарбонатов), таких как известняк, и снижается за счет оттока сточных вод и аэробного дыхания. Из-за присутствия карбонатов щелочность более тесно связана с жесткостью, чем с pH (хотя все же есть явные различия). Однако изменения pH также могут влиять на уровень щелочности (по мере снижения pH буферная способность воды также снижается) ⁶. pH и щелочность напрямую связаны, когда вода на 100% насыщена воздухом ⁹.
Щелочность воды также играет важную роль в дневном уровне pH. В процессе фотосинтеза водорослями и растениями используется водород, что повышает уровень pH ¹⁰. Точно так же дыхание и разложение могут снизить уровень pH. Большинство водоемов способны амортизировать эти изменения из-за их щелочности, поэтому небольшие или локальные колебания быстро изменяются, и их может быть трудно обнаружить ¹⁰.
Единицы pH и щелочности
Значения pH определяются в логарифмической шкале.
Значения pH представляются в виде числа от 0 до 14 в качестве стандартной единицы pH. Эта единица эквивалентна отрицательному логарифму молярной концентрации ионов водорода (-log(H+)) в растворе. В зависимости от точности измерения значение рН может быть выполнено с точностью до одного или двух знаков после запятой.
Однако, поскольку шкала pH является логарифмической, попытка усреднения двух значений pH была бы математически неверной. Если требуется среднее значение, его можно указать как медиану или диапазон, а не как простой расчет ¹⁰.
Щелочность может быть выражена в мг/л или в микроэквивалентах на литр (мэкв/л). В мг/л это относится к концентрациям карбоната (CO3 2-), бикарбоната (HCO3 – ) или карбоната кальция (CaCO3), хотя чаще всего встречается карбонат кальция ¹¹.
1 мг/л щелочности в пересчете на CaCO3 = 0,01998 мг/л щелочности
1 мг/л щелочности в пересчете на CaCO3 = 0,5995 мг/л щелочности в пересчете на CO3 2-
1 мг/л щелочности в пересчете на CaCO3 = 1,2192 мг/л щелочности как HCO3 –
Почему pH важен?
Если pH воды слишком высок или слишком низок, живущие в ней водные организмы погибнут.
pH также может влиять на растворимость и токсичность химических веществ и тяжелых металлов в воде ¹². Большинство водных существ предпочитают диапазон рН 6,5-9,0, хотя некоторые могут жить в воде с уровнем рН за пределами этого диапазона.
Когда уровень pH выходит за пределы этого диапазона (вверх или вниз), это может привести к стрессу для систем животных и снижению показателей вылупления и выживаемости. Чем дальше значение pH от оптимального диапазона, тем выше уровень смертности. Чем более чувствителен вид, тем сильнее на него влияют изменения рН. В дополнение к биологическим эффектам экстремальные уровни pH обычно увеличивают растворимость элементов и соединений, делая токсичные химические вещества более «подвижными» и увеличивая риск их поглощения водными организмами ¹³.
Водные виды не единственные, на кого влияет рН.
В то время как люди более терпимы к уровням pH (уровни для питья варьируются от 4 до 11 с минимальным раздражением желудочно-кишечного тракта), все еще есть проблемы ¹⁴. Значения pH выше 11 могут вызвать раздражение кожи и глаз, равно как и pH ниже 4. Значение pH ниже 2,5 вызовет необратимое повреждение кожи и внутренних органов ¹⁴. Более низкие уровни pH повышают риск мобилизации токсичных металлов, которые могут быть поглощены даже людьми, а уровни выше 8,0 не могут быть эффективно продезинфицированы хлором, вызывая другие косвенные риски ¹⁴. Кроме того, уровни pH за пределами 6,5-9.5 может повредить и вызвать коррозию труб и других систем, что еще больше повысит токсичность тяжелых металлов.
Даже незначительные изменения pH могут иметь долгосрочные последствия. Небольшое изменение pH воды может повысить растворимость фосфора и других питательных веществ, что сделает их более доступными для роста растений ¹⁰.
В олиготрофном озере или озере с низким содержанием питательных веществ для растений и высоким содержанием растворенного кислорода это может вызвать цепную реакцию. С более доступными питательными веществами процветают водные растения и водоросли, увеличивая потребность в растворенном кислороде. Это создает эвтрофное озеро, богатое питательными веществами и растениями, но с низким содержанием растворенного кислорода. В эвтрофном озере другие организмы, живущие в воде, будут подвергаться стрессу, даже если уровень pH остается в оптимальном диапазоне.
Факторы, влияющие на рН воды
На рН воды может влиять множество факторов, как естественных, так и техногенных. Большинство естественных изменений происходит из-за взаимодействия с окружающими породами (особенно карбонатными формами) и другими материалами. pH также может колебаться в зависимости от осадков (особенно кислотных дождей) и сточных вод или сбросов шахт ¹³. Кроме того, концентрация CO2 может влиять на уровень pH.
Двуокись углерода и pH
Уровни pH могут колебаться ежедневно из-за фотосинтеза и дыхания в воде. Степень изменения зависит от щелочности воды.Углекислый газ является наиболее частой причиной повышения кислотности воды ¹⁵. Фотосинтез, дыхание и разложение способствуют колебаниям pH из-за их влияния на уровень CO2. Экстремальность этих изменений зависит от щелочности воды, но часто наблюдаются заметные суточные (суточные) вариации¹⁶. Это влияние более ощутимо в водоемах с высокой скоростью дыхания и разложения.
Хотя диоксид углерода существует в воде в растворенном состоянии (как и кислород), он также может реагировать с водой с образованием угольной кислоты:
CO2 + h3O <=> h3CO3
h3CO3 может терять один или оба иона водорода :
h3CO3 <=> HCO3 – + H+ …. HCO3 – <=> CO3 2- + H+
Высвобождающиеся ионы водорода снижают pH воды¹⁵. Однако это уравнение может работать в обоих направлениях в зависимости от текущего уровня pH, работая как собственная буферная система.
При более высоком pH эта бикарбонатная система сдвинется влево, и CO3 2- улавливает свободный ион водорода.
Эта реакция обычно минимальна, поскольку h3CO3 имеет низкую константу растворимости (закон Генри) ¹⁵. Однако по мере увеличения уровня CO2 во всем мире количество растворенного CO2 также увеличивается, и уравнение будет выполняться слева направо. Это увеличивает h3CO3, что снижает pH. Эффект становится все более очевидным в исследованиях pH океана с течением времени.
Общее изменение годового уровня pH океана с 1700-х по 1990-е годы. (данные: Атлас Мирового океана 2009 г.; фото предоставлено: Plumbago; Wikipedia Commons) Углекислый газ в атмосфере снижает pH осадков. Приведенные выше уравнения также объясняют, почему рН дождя составляет примерно 5,65 ¹⁵. Когда капли дождя падают в воздух, они взаимодействуют с молекулами углекислого газа в атмосфере. Это создает h3CO3 в каплях дождя, снижая значение pH дождя ¹⁷. Уровень pH 5,65, хотя и кислый, не считается кислотным дождем.
Ожидается, что естественный незагрязненный дождь или снег будет иметь уровень pH около 5,6 при стандартной концентрации CO2 в атмосфере 0,0355% ¹⁵. Кислотный дождь требует pH ниже 5,0 ²¹.
5,65 – это также pH воды, уравновешенной воздухом и не контактировавшей с карбонатными материалами или известняком.
Влияние естественного pH
Карбонатные материалы и известняк — это два элемента, которые могут смягчить изменения pH воды. Карбонат кальция (CaCO3) и другие бикарбонаты могут объединяться как с ионами водорода, так и с гидроксильными ионами для нейтрализации pH¹⁸. Когда в почве присутствуют карбонатные минералы, буферная способность (щелочность) воды увеличивается, поддерживая рН воды близким к нейтральному даже при добавлении кислот или оснований. Дополнительные карбонатные материалы помимо этого могут сделать нейтральную воду слегка щелочной.
Известняковые карьеры имеют более высокий уровень pH из-за карбонатных материалов в камне. Молния может снизить pH дождя.
Как упоминалось ранее, незагрязненный дождь слегка кислый (pH 5,6). pH дождя также может быть снижен из-за вулканического пепла, сульфатредуцирующих бактерий в заболоченных местах, переносимых по воздуху частиц от лесных пожаров и даже молнии ¹⁹. Если дождь падает на источник воды с плохой буферизацией, он может снизить pH близлежащей воды из-за стока.
Разлагающиеся сосновые иголки могут снизить уровень pH. Хвоя сосны или пихты также может снизить pH почвы и любой воды, которая стекает по ней, поскольку они разлагаются ¹⁸. Интенсивный фотосинтез увеличивает pH воды, удаляя CO2, хотя это изменение обычно происходит в течение суток ²⁰.
Искусственные регуляторы pH
Загрязнение воздуха, почвы или непосредственно воды может влиять на pH. Антропогенные причины колебаний рН обычно связаны с загрязнением. Кислотные дожди — один из наиболее известных примеров влияния человека на рН воды. Любая форма осадков с уровнем pH менее 5,0 известна как кислотный дождь ²¹.
Этот осадок возникает в результате реакции воды с оксидами азота, оксидами серы и другими кислыми соединениями, понижая ее и без того слабокислый рН. Эти выбросы обычно возникают в результате горнодобывающих и плавильных работ или сжигания ископаемого топлива (сжигание угля и автомобили) ¹⁸. Чрезвычайно высокий уровень CO2 также может еще больше снизить pH дождя ¹⁷.
Загрязнение из точечного источника является распространенной причиной, которая может увеличивать или уменьшать pH в зависимости от вовлеченных химических веществ ¹⁸. Эти химические вещества могут поступать из сельскохозяйственных стоков, сбросов сточных вод или промышленных стоков. Добыча полезных ископаемых (особенно угля) приводит к кислотным стокам и просачиванию кислых грунтовых вод, если окружающая почва плохо защищена ²². Сброс сточных вод, содержащих моющие средства и продукты на основе мыла, может привести к тому, что источник воды станет слишком щелочным.
Типичные уровни pH
Рекомендуемые минимальные уровни pH для водных организмов.
Типичные уровни pH варьируются в зависимости от воздействия окружающей среды, особенно щелочности. Щелочность воды меняется из-за присутствия растворенных солей и карбонатов, а также минерального состава окружающей почвы. Как правило, чем выше щелочность, тем выше pH; чем ниже щелочность, тем ниже pH ⁶. Рекомендуемый диапазон рН для большинства рыб составляет от 6,0 до 9,0 с минимальной щелочностью 20 мг/л, с идеальным уровнем CaCO3 от 75 до 200 мг/л²⁰.
Океанические организмы, такие как рыба-клоун и коралл, требуют более высокого уровня pH. Уровень pH ниже 7,6 приведет к разрушению коралловых рифов из-за недостатка карбоната кальция ³⁹. Чувствительные пресноводные виды, такие как лосось, предпочитают уровни pH от 7,0 до 8,0, при этом уровень pH ниже 6,0 ⁴⁰ вызывает серьезные расстройства и физиологические повреждения из-за поглощенных металлов.
Соображения по охране окружающей среды
Естественные осадки, как дождь, так и снег, имеют pH около 5,6 из-за контакта с CO2 и других атмосферных воздействий.
Большинство трав и бобовых предпочитают почвы с pH 4,5-7,0, поэтому небольшая кислотность дождя может пойти на пользу карбонатным почвам ²³.
Кислотность окружающей среды также может влиять на рН воды. Это наиболее очевидно вблизи районов добычи полезных ископаемых, но эффект может возникать и естественным путем. Кислотный сток истощает щелочность воды и снижает рН ниже оптимального уровня. Это может быть приемлемо для некоторых водных видов (например, лягушек), но не для большинства рыб. Некоторые лягушки и другие земноводные часто могут переносить уровень pH всего 4,0 ²⁴. Из-за кислых почв Амазонки многие озера и реки имеют низкий уровень pH ³⁸. Из-за растворенных гуминовых веществ из стока и поглощения источники «черной воды» могут иметь pH всего 4,43. Источники с «чистой водой» будут иметь немного более высокое, но все же кислое значение pH ³⁸. Вот почему рыбы-ангелы и дискусы из бассейна реки Амазонки могут вполне счастливо жить в водах с pH всего 5,0 ²⁵.
Морская вода имеет рН около 8,2, хотя он может варьироваться от 7,5 до 8,5 в зависимости от местной солености.
Уровень pH будет увеличиваться с увеличением солености до тех пор, пока вода не достигнет насыщения карбонатом кальция (CaCO3) ¹⁶. Океаны, как правило, имеют более высокую щелочность из-за содержания карбонатов и, следовательно, обладают большей способностью буферизовать свободные ионы водорода ²⁷.
Пресноводные озера, пруды и ручьи обычно имеют pH 6-8 в зависимости от окружающей почвы и коренных пород ²¹. В более глубоких озерах, где происходит расслоение, рН воды обычно выше (7,5-8,5) у поверхности и ниже (6,5-7,5) на больших глубинах ¹⁰. Некоторые штаты, такие как Аляска, пытаются поддерживать стандарт pH для качества воды. Стандарт качества воды Аляски требует уровня pH от 6,5 до 8,5 для защиты многих популяций лосося в штате ⁴⁰.
Вопросы стратификации
Стратификация может привести к тому, что уровни pH в водоеме будут различаться выше и ниже клин. Стратификация обычно вызывается разницей температур внутри водоема, когда каждый слой воды не смешивается со слоями выше или ниже ³⁷.
Эти слои разделены клинами, известными как термоклины (температурные границы) или хемоклины (химические градиенты). Хемоклины могут быть основаны на кислороде, солености или других химических факторах, которые не пересекают клин, таких как углекислый газ. Из-за влияния CO2 на pH воды стратификация может привести к тому, что уровни pH будут различаться в зависимости от склона.
Различия в уровне pH между водными слоями обусловлены повышенным содержанием CO2 в результате дыхания и разложения ниже термоклина. В кратерных озерах, таких как озеро Ниос или озеро Монун, pH быстро падает с уровня поверхности примерно 7 до 5,5 ниже 60 м (в термоклине и хемоклине) ²⁶. Это значительное падение происходит из-за насыщенного CO2, который накапливается в нижних слоях озера.
Адаптивность
В то время как идеальный уровень pH для рыб составляет 7–8 (pH крови рыб составляет 7,4) ²⁰, большинство рыб могут адаптироваться к уровню pH окружающей среды (6,0–9)..0), если нет резких колебаний.
Резким колебанием считается сдвиг рН на 1,4 (вверх или вниз)²². Для морских рыб pH воды должен оставаться в пределах 7,5–8,5 ⁹.
Необычные уровни pH и последствия
Каменистые кораллы начинают обесцвечиваться и портиться по мере падения уровня карбоната и pH.Вредное воздействие становится заметным, когда pH воды падает ниже 5,0 или поднимается выше 9,6. Болезненные эффекты из-за подкисления более выражены у морских рыб из-за их адаптации к более высокому pH. Когда pH ниже оптимального уровня, рыба становится восприимчивой к грибковым инфекциям и другим физическим повреждениям ¹⁶. Когда рН воды падает, растворимость карбоната кальция снижается, что препятствует росту скорлупы водных организмов ¹⁶. Как правило, на воспроизводство рыб влияет уровень pH ниже 5,0, и многие виды (например, морские рыбы или чувствительные пресноводные рыбы, такие как малоротый окунь) покидают зону ²¹. Рыба начинает умирать, когда рН падает ниже 4,0 ¹².
Низкий уровень pH может способствовать растворимости тяжелых металлов ¹².
По мере увеличения уровня ионов водорода катионы металлов, таких как алюминий, свинец, медь и кадмий, высвобождаются в воду вместо того, чтобы поглощаться осадком. С увеличением концентрации тяжелых металлов возрастает и их токсичность. Алюминий может ограничивать рост и размножение, повышая уровень смертности при таких низких концентрациях, как 0,1–0,3 мг/л²². Кроме того, мобилизованные металлы могут поглощаться организмами во время дыхания, вызывая физиологические повреждения ²². Это особенно губительно для таких видов, как радужная форель ¹³.
С другой стороны, высокие уровни pH могут повредить жабры и кожу водных организмов и вызвать смерть при уровне выше 10,0. В то время как некоторые африканские цихлиды прекрасно себя чувствуют при высоком уровне pH (до 9,5), большинство рыб не переносят его. Смерть может наступить даже при типичном уровне (9,0), если в воде присутствует аммиак ²¹. При низком и нейтральном уровне pH аммиак соединяется с водой с образованием иона аммония:
Nh4 + h3O <=> Nh5 + + OH –
Устойчивые к низкому pH водоросли могут образовывать цветки, которые могут убить озеро.
Аммоний, Nh5⁺, не токсичен и не влияет на водную жизнь. Однако при уровне pH выше 9 уравнение меняется на противоположное, и в воду выделяется аммиак ²². Аммиак, Nh4, чрезвычайно токсичен для водных организмов, и по мере увеличения pH уровень смертности увеличивается с концентрацией Nh4.
Что касается экосистемы, то мхи могут начать заселять водоемы, когда pH воды падает ниже 5. В эвтрофных озерах могут доминировать устойчивые к pH водоросли, приводя уровни pH к дневным максимумам и минимумам, образуя цветение водорослей, которое может убить озеро ¹⁶.
Щелочные и кислотные озера
По всему миру разбросано множество озер с необычным уровнем pH. Щелочные озера, также известные как содовые, обычно имеют уровень pH от 9 до 12. Это часто связано с высоким содержанием соли (хотя не каждое соленое озеро имеет высокий pH). В этих озерах высокая концентрация минералов, особенно растворенных солей: карбонатов и бикарбонатов натрия, кальция, магния ²⁸.
В зависимости от озера также могут присутствовать бораты, сульфаты и другие элементы (обычно ионы сильных оснований) ²⁹. Щелочные озера образуются, когда единственным выходом для воды является испарение, в результате чего минералы накапливаются ³⁰. Эти минералы часто образуют столбы месторождений полезных ископаемых, известные как столбы туфа. Многие щелочные озера являются коммерческим источником кальцинированной соды и поташа, в то время как другие являются популярными туристическими направлениями из-за их «волшебных» целебных свойств (из-за содержания минералов).
Печально известным примером щелочного озера является озеро Натрон в Танзании. Озеро Натрон имеет pH до 10,5 из-за высоких концентраций декагидрата карбоната натрия (кальцинированной соды) и бикарбоната натрия (пищевой соды), которые попадают в воду из окружающей почвы ³¹.
В то время как озеро поддерживает процветающую экосистему, включая фламинго, щелочную тиляпию и устойчивые к pH водоросли, фотограф Ник Брант создал множество запоминающихся изображений животных, погибших в этом озере ³¹. Тела этих животных сохраняются с помощью карбоната натрия, как в древнеегипетском процессе мумификации.
Кислые озера обычно образуются вблизи вулканов, где серная кислота, сероводород, плавиковая кислота, соляная кислота и углекислый газ могут попадать в воду ³². В невулканических районах кислотные озера также могут образовываться после кислотных отложений в результате таких явлений, как кислотные дожди, загрязнение или кислотные стоки при добыче полезных ископаемых ³³. Как и их щелочные аналоги, кислые озера не имеют выхода, кроме испарения, концентрирующего сульфаты и кислоты. Кислоты могут попасть в воду в результате атмосферной диффузии в результате сжигания угля, кислотных дождей или после извержения. В вулканических озерах кислоты могут попадать в воду через активную фумаролу или вулканическое отверстие.
Кислотные озера в Даллоле в Эфиопии являются результатом кислотного выщелачивания из близлежащих вулканов. Сера и железо в воде оставляют желтые и ржавые отложения у кромки воды.
При уровне pH ниже 5,0 немногие организмы могут жить в кислых озерах. Однако есть одно заметное исключение: елец Осорезан, или японский елец. Эта рыба прекрасно себя чувствует в кислых водах озера Осорезан, комфортно отдыхая при рН 3,5, и плавает в водах с нейтральным рН только для нереста ³⁴.
Окисление океана
По мере увеличения содержания CO2 в атмосфере увеличивается количество растворенного CO2, а pH воды снижается. (данные: NOAA/ESRL и Гавайский университет; кредит: SERC EarthLabs) Закисление океана вызвано притоком растворенного углекислого газа. По мере того, как уровень CO2 в атмосфере увеличивается из-за антропогенных причин, также увеличивается количество растворенного CO2, что, в свою очередь, снижает pH воды.
Когда вода насыщается CO2, это не только снижает pH океана, но и истощает источники карбоната кальция ³⁵. Карбонат кальция, CaCO3, является необходимым компонентом для построения кораллов, раковин и экзоскелетов многих водных существ. По мере снижения уровня CO3²⁻ морским существам становится все труднее строить свои раковины.
Как уже упоминалось в разделе «Углекислый газ и pH», дополнительный CO2 увеличивает количество ионов водорода в воде, снижая pH:
CO2 + h3O <=> h3CO3 … h3CO3 <=> (H+) + HCO3⁻
При уровне pH от 6,4 до 10,33 некоторые из этих ионов водорода присоединяются к карбонат-ионам ²²:
(H+) + CO3 2- <=> HCO3 –
Таким образом, по мере увеличения уровня CO2 доступность карбоната , CO3 2- уменьшается, уменьшая количество, доступное для строительства раковин и кораллов ³⁶.
CO2 + h3O + CO3²⁻ <=> 2HCO3⁻
При рН океана 8,3 уровень карбоната достаточно высок для образования кораллов.
По мере увеличения CO2 и снижения pH уровень карбоната быстро упадет ниже оптимального уровня.Высокие уровни CO2 также затрудняют поддержание текущей скорлупы из-за более низкого уровня pH и конкуренции за карбонат ³⁵.
Кроме того, насыщение воды воздухом основано на парциальном давлении согласно закону Генри. По мере увеличения уровня CO2 в воздухе увеличивается и его парциальное давление. Это снижает парциальное давление кислорода, снижая уровень его насыщения и способствуя гипоксии (с низким содержанием O2) ³⁵.
Хотя океаны никогда не станут «кислыми» (с pH ниже 7), даже незначительное снижение pH вызывает стресс у морских организмов и увеличивает уровень смертности. pH является логарифмическим, а это означает, что уменьшение на 0,1 эквивалентно увеличению кислотности почти на 30% ³⁵.
Процитировать эту работу
Fondriest Environmental, Inc. «pH воды». Основы экологических измерений. 19 ноября 2013 г. Интернет. < https://www.fondriest.com/environmental-measurements/parameters/water-quality/ph/ >.