Лекция №7: Загрязнение окружающей среды (основные понятия)
advertisement
Московский государственный университет им.М.В.Ломоносова Межфакультетский учебный курс Марфенин Николай Николаевич, профессор биологического ф-та; Попова Людмила Владимировна, в.н.с., к.б.н. Музея землеведения Лекция №7: Загрязнение окружающей среды (ключевые понятия и уроки) Почтовый ящик курса: ecopro2014@mail.ru пароль: 2014ecopro Рекомендуемые источники информации по теме «Загрязнение окружающей среды» • Реймерс Н.Ф. Природопользование. Словарь-справочник http://nashaucheba.ru/v61266/реймерс_н.ф._природопользование • Реймерс Н.Ф. Экология. Теория, законы, правила, принципы http://nashaucheba.ru/v30764/реймерс_н.ф._экология_теории,_закон ы,_правила_принципы_и_гипотезы • Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды РФ» http://www.mnr.gov.ru/regulatory/list.php?part=1101 • Андруз Дж., Бримблекумб П., Джикелз Е., Лисс П. Введение в химию окружающей среды. Пер. с англ. – М.:Мир, 1999. – 271 с. • Мотузова Г.В., Карпова Е.А. Химическое загрязнение биосферы и его экологические последствия. – М.: Из-во Моск. Ун-та, 2013. – 304 с. • Ревель П., Ревель Ч. Среда нашего обитания. В 4-х книгах. Кн.2. Загрязнение воды и воздуха: Пер. с англ. - М.: Мир, 1995. - 296 с. • Роун Ш. Озоновый кризис. - М.: Мир, 1993. 320 с. • Филатов Б.Н., Данилина А.Е., Михайлов Г.М., Киселев М.Ф. Диоксин. – М., 1997. – 132 с. • Худолей В.В. Канцерогены. – СПб.: 1999. – 419 с. • Худолей В.В., Мизгирев И.В. Экологически опасные факторы - СПб: Изд-во "Банк Петровский",1996.-186с • Эйхлер В. Яды в нашей пище М.: Мир,1985. – 202 с. • Юфит С.С. Яды вокруг нас. Вызов человечеству. – М.: Классикс Стиль, 2002. – 368 с. • Worlds-Worst-Toxic-Pollution-Problems-2011-Report.pdf • http://www.americainfra.com/news/pollution-impacts/ Основные вопросы : • Возрос ли уровень загрязнения за последние 100-200 лет? • Насколько опасно загрязнение окружающей среды для человека и всего живого ? • Какие виды загрязнения наиболее опасны ? • Каковы главные источники загрязнения ? • Как снизить риск неблагоприятного воздействия загрязнения ? Основные проблемы загрязнения окружающей среды: 1. Возрастание выбросов загрязняющих веществ в связи с ростом производства 2. Вредное воздействие загрязняющих веществ на организмы 3. Перенос загрязнения на огромные расстояния 4. Непредсказуемые крупномасштабные последствия Определения • Загрязнение окружающей среды - это увеличение концентрации физических, химических, биологических агентов сверх обычных значений. • Другое определение акцентирует внимание на относительности понятия: • загрязнение окружающей среды – все то, что не в том месте, не в то время и не в том количестве, какое естественно для природы (Реймерс,1990). Опасное возрастание числа загрязняющих соединений • К 2000 г уже было синтезировано 18 млн. наименований химических веществ, в то время как в природе их существует не более 2 млн. • Ксенобиотики - вещества, не вырабатываемые и плохо усваиваемые биотой На лекции мы рассмотрим: • Понятие «доза-эффект» – ключ к оценке реальной опасности загрязнения • Влияние малых доз – Закон Арндта-Шульца • Понятие Предельно-допустимой концентрации • Основные виды и источники загрязнения • Загрязнение воздуха – смог • Загрязнение от выхлопных газов автомобилей • Кислотные дожди • Истощение озонового слоя атмосферы • Радиационное загрязнение • Последствия загрязнения для здоровья Доза-эффект Кривая ДОЗА-ЭФФЕКТ (или концентрация-эффект) Как изменяется влияние вещества на объект в зависимости от концентрации ? http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Dose-response_curve1.jpg Некоторые варианты зависимости эффекта от дозы 1 – зависимость бимодальная; 2 - эффекта "перемены знака«: ингибирование-стимуляция-ингибирование; 3 – эффект не зависит от дозы. http://re-tech.narod.ru/homo/gen/udk_614.htm Закон Арндта-Шульца • слабые раздражения пробуждают деятельность живых элементов, • средние —ее усиливают, • сильные—тормозят, • очень сильные—парализуют. Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ (ПДК) • Определение степени летальности (LD50) • Определение функциональных изменений • Определение эмбриологических изменений • Определение генетических последствий http://storage.planetpics.ru/facts/uploads/2 012/08/23/image/boloto_0051.jpg Кладка Виноградной улитки: 1) число яиц; 2) продолжительность развития; 3) % вылупляемости; 4) доля нормального потомства http://aquaplantfish.narod.ru/terrarium/vinogradnaja-ulitka/vinogradnaja-ulitka.htm Предположим, что установлены следующие величины воздействия вещества «Х» • (LD50) = 0,1 мг/л • Физиолог. изменения = 0,01 мг/л • Эмбриол. изменения = 0,005 мг/л • Рекомендуемая ПДК = 0,0001 мг/л Основные виды загрязнения: 1. – – – – – – химическое загрязнение: воздуха; пресных поверхностных вод, грунтовых вод, морей и океанов, почвы, продуктов питания; 2. загрязнение высокотоксичными отходами 3. радиоактивное загрязнение; 4. электромагнитное загрязнение; 5. биологическое загрязнение; 6. загрязнение твердыми отходами; 7. шумовое загрязнение. Основные загрязняющие вещества, образующиеся в процессе промышленного производства (по: Бэклунд и др., 1996) Отрасль Основная продукция Основные загрязняющие в-ва Добыча полезных ископаемых Бурый уголь, каменный уголь, металлические руды, минералы, соль Твердые отходы, тяжелые металлы, соль, пыль Энергетика Электричество, пар Зола, пыль, SО2, NОХ, ПАУ, тяжелые металлы, диоксины Целлюлознобумажная Целлюлоза, бумага, картон Кислородпоглощающая органика (ВПК, ХПК) Хлорорганика, включая диоксины Металлургия Чугун, сталь, алюминий, хром, никель Тяжелые металлы, SО2, NОХ, диоксины Отрасль Основная продукция Основные загрязняющие вещ-ва Металлообработ ка Различные изделия из металла Твердые отходы, тяжелые металлы, растворители, масла Производство минеральных соединений Цемент, известь, ТЮ2, соль Пыль, кислоты, соли, тяжелые металлы Химическая промышл. Основные химические соединения Удобрения Нефтепродукты NOх, S02 Твердые отходы, тяжелые металлы Пластмассы и резина Фармацевтические препараты Сложные смеси химических соединений Пестициды Пищевая промышл. Пищевые продукты, сахар Кислородпоглощающая органика, Р, N Основные типы неорганических экотоксикантов, их источники и обусловленные ими стрессы (по: Петросян, 2001) Токсиканты Основные источники Типы химических стрессов Газы (СO, NO2, SO2) Выбросы промышленных, энергетических предприятий и автотранспорта Моноксид углерода обусловливает кислородную недостаточ­ность. Диоксиды азота и серы вызывают болезни легких, а SO2 способствует некрозу листьев Нитраты и нитриты Азотные удобрения Высокие концентрации в питьевой воде вызывают метгемоглобинемию («синдром голубого ребенка») Алюминий Сточные воды При низких значениях pH приводит к гибели организмов в водных системах Кадмий Производство цинка и сплавов, гальваника и сигареты Токсичность и канцерогенез Медь Кабельное производство, электроника Токсична при высоких концентрациях Мышьяк Пестициды, сплавы, зола Проявляет токсичность и канцерогенез Токсиканты Основные источники Типы химических стрессов Никель Сплавы, покрытия, аккумуляторы Вызывает образование раковых опухолей и проявляет общую токсичность Ртуть Производство щелочи и хлора, добыча золота, электроника, катализ Высокотоксична и легко накапливается в организмах, проявляя разрушающее воздействие на внутренние органы и центральную нервную систему Свинец Бензин, краски, аккумуляторы, керамика Токсичен, вызывает анемию и психические расстройства Селен Электроника, сплавы, стекло Весьма токсичен Хром Катализаторы, краски, сплавы Cr(VI) – канцерогенен и более токсичен, чем Cr(III) Цинк Гальваника, сплавы Токсичен, но меньше, чем вышеприведенные металлы Особое значение загрязнения воздуха • Человек за сутки: • съедает -- 1 кг пищи • выпивает -- 2 литра жидкости • вдыхает - 15 000 литров воздуха, т.е. 9 кг воздуха ежедневно Основные источники ЗАГРЯЗНЕНИЯ воздуха: • 60-80% - автомобили (в городах) • 10-20% - ТЭС • 10-20% - промышленность • По распространению делится на: • Рассеянное загрязнение (автомобили) • Локальное – «из труб» (промышленность) Смог: • В XIX в английский врач Де Вё употребил слово "смог" для обозначения комбинации тумана и дыма. • Лондонские туманы были прозваны "гороховым супом" из-за их цвета - смеси тумана и дыма с серой • В XVIIв Джон Эвелин написал научный памфлет "Фумигиум, или неприятности от лондонского воздуха и дыма" - рекомендует: • вынос предприятий за черту города; • посадку в городе кустов и деревьев. Губительные последствия смога • • • • • • В 1273 г Король Англии Эдуард 1 запретил сжигание угля в Лондоне. В 1911 г от смога умерло 1150 лондонцев. В 1952 г от смога погибло в декабре в течение 4-х сут Лондоне 4000 людей Трагедии повторялись в: 1956, 1957, 1962 гг В США трагедии в 1948 (Донора), в 1963 г в Нью-Йорке (300 смертей), затем ЛосАнджелес и др.города. Фотохимический смог: • При обилии солнечного света оксиды углерода, азота и серы подвергаются фотохимическим превращениям с образованием озона и ряда других соединений, усугубляющих вредное воздействие на носоглотку и легкие, вызывая сильное раздражение и аллергическую реакцию. Смог в Нью-Йорке 24 ноября 1966 г. (по: Enger a.oth. Environmental Science. The Study of Interrelationships (1989, p.357)) Фотохимический смог (по: Enger a.oth. Environmental Science. The Study of Interrelationships (1989, p.398) Китай: Бейджинг в плохой и хороший день (2011) http://factsanddetails.com/china.php?itemid=392 Проблема загрязнения окружающей среды свинцом • Этилированный бензин • Возмущение общественности – свинец в грудном молоке. • Закон о чистоте воздуха 1970 и 1977 гг Air Clean Act 1970: • Отказ от этилированного бензина с 1975 г. • Последующее внедрение «фильтров» – катализаторов (начиная со штата Калифорния) ПДК свинца в почве = 32 мг/кг Уменьшение содержания свинца в воздухе в США с 1977 г, после введения законодательного ограничения на использование этилированного бензина (по: Небел, Т.1, 1993) http://www.epa.gov/air/airtrends/lead.html Динамика эмиссии свинца (т/год) в Дании и концентрации свинца в воздухе (мкг/м3) и в бензине (г/л) http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1352231099002903 Ужесточение евростандартов по составу выхлопных газов http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%95%D0%B2%D1%80%D0%BE-3 «Кислотные дожди» • 1950-ые гг. – экономический бум • К концу 1960-х гг. огромные шлейфы загрязненного воздуха с парами кислот накрыли значительные территории в Северной Америке и Европе. • к началу 1970-х гг. обширные хвойные леса в Западной Европе (на юге Германии, в Австрии и Чехословакии) стали засыхать • Термином "кислотные дожди" называют все виды метеорологических осадков - дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, - рН которых меньше, чем среднее значение рН дождевой воды (средний рН для дождевой воды равняется 5.6). Карта расположения мест, наиболее пострадавших от кислотных дождей Выпадение кислотных осадков Источник: Н.М.Бажин. Кислотные дожди// Соросовский образовательный журнал. 2001. №7. Засыхание сосен под влиянием кислотных осадков (по: Кислотные осадки. Научно популярное издание. – М.: «Квинта плюс», 2004. – 16 с.) Меры по предотвращению загрязнения кислотными осадками: • «Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния» Женева, 1979 г. • Мониторинг загрязнения воздуха • Система платежей за нанесенный ущерб • Принцип – «загрязнитель платит» Истощение озонового слоя, как глобальная проблема антропогенного воздействия Латентный эффект – любой отсроченный эффект, возникающий в результате определенного вмешательства • То́мас Ми́дгли (англ. Thomas Midgley; (1889 – 1944) — американский химик и инженермеханик, который изобрёл тетраэтилсвинец (ТЭС) Pb(CH3CH2)4 для добавки его в бензин, и хлорфторуглероды для использования в холодильниках и дезодорантах. Автор более 100 патентов[1]. Производство изобретений Мидгли оказало разрушительное воздействие на озоновый слой. По мнению историка Джона Макнейла, изобретатель «оказал наибольшее влияние на атмосферу, чем любой другой живой организм в истории Земли»[ Фреоны Истощение озонового экрана – как результат глобального антропогенного воздействия посредством загрязнения атмосферы • Фреоны – хлорфторуглероды; • Использование фреонов в качестве хладоагентов; • Появление «озоновых дыр» в стратосфере над Антарктидой; • Возможные причины снижения концентрации озона в стратосфере; • Фреоны – как возможные разрушители озона Природа и происхождение основных веществ, загрязняющих атмосферу (по: Риклефс Ф. Основы прикладной экологии Л., 1981.) Природа загрязнения Источник загрязнен: Газы Углекислый газ Вулканическая деятельность Дыхание живых организмов Сжигание ископаемого топлива Окись углерода Вулканическая деятельность Двигатели внутреннего сгорания Углеводороды Растения, бактерии Двигатели внутреннего сгорания Органические соединения Химическая промышленность Сжигание отходов Разнообразное топливо Сернистый газ и другие производные серы Вулканическая деятельность Бактерии Производные азота Горение Атомные электростанции Радиоактивные вещества Ядерные взрывы Частицы Тяжелые металлы Вулканическая деятельность Метеориты Минеральные соединения Ветровая эрозия - водяная пыль Промышленность Двигатели внутреннего сгорания Органические вещества, естественные Лесные пожары и синтетические Химическая промышленность Разнообразное топливо Сжигание отходов Сельское хозяйство (пестицы) Радиоактивные вещества Ядерные взрывы Важнейшие химические соединения, разрушающие озоновый слой, их область применения, объемы производства и время пребывания в атмосфере (по: Медоуз и др., 1994, табл.5-1, стр.164) Название соединения Химичес кая формула Область применения Объем мирового производс тва в 1985 г., т Время пребывания в атмосфере, лет CFC-011 CFCl3 Искусственное охлаждение, аэрозоли, пены 298000 65-75 CFC-012 CF2Cl2 • 438000 100-140 CFC-013 CCl3CF3 Растворители, косметические препараты 138500 100-134 HCFC-22 CHClF2 Искусственное охлаждение, аэрозоли, пены, огнетушители 81200 16-20 Метилхлорофор м CH3CCl3 Растворители 499500 5,5-10 Четыреххлорис тый ССl4 Растворители 71200 50-69 Искусственное охлаждение, аэрозоли, пены, стерилизация, замораживание пищевых продуктов, термодатчики, косметические препараты, пенообразующие вещества Динамика производства фреонов в мире (по: Worldwatch Datebase, 2000) 1 400 1 200 800 600 400 200 19 98 19 95 19 92 19 89 19 86 19 83 19 80 19 77 19 74 19 71 19 68 19 65 19 62 19 59 19 56 19 53 0 19 50 ты с. тонн 1 000 Схема строения атмосферы Земли, вертикального изменения температуры, преобладающих газов, в том числе озона Влияние увеличения (в меридиональном направлении) концентрации хлора в стратосфере на концентрацию озона над Антарктидой (по: Медоуз и др., 1994, рис.5-5, стр. 174) Концентрация озона над Южным полюсом 1986 1987 1988 1989 2000 2002 2001 2003 Изменение размеров «озоновой дыры» над Антарктидой с 1980 по 2003 гг. (млн. км2) (Усреднено за 30 дней. Границы зоны с концентрацией озона менее 220 ед.Д.) (по: http://cs.clark.edu/~mac/Geol390/StratosphericOzone/Ozone/images/avg_size_o3hole79-01_bw.jpg) Прогноз влияния снижения концентрации озона в стратосфере на биоту. (Коэф.=1 соответствует концентрации озона в 1970 г) Меры, предпринятые мировым сообществом для предотвращения разрушения озонового слоя стратосферы Земли • «Венской конвенцией по защите озонового слоя». (1985 г.) • Мореальский протокол (1987 г.) • К 1996 г. производство озоразрушающих веществ в мире было сокращено от 1 280 000 т в 1988 г. до 160000 т в 1996 г., • а к 2003 г было прекращено полностью. Изменение концентрации фреонов в атмосфере с 1977 по 1999 гг. по данным нескольких наземных станций мониторинга в различных частях планеты (по оси ординат "ppt” = частиц хлорфторуглерода на триллион частиц атмосферы) (по: http://spacescience.com/default.htm) Динамика концентрации фреонов в верхних слоях атомосферы http://www.esrl.noaa.gov/gmd/hats/overview.html Постепенное снижение количества загрязняющих веществ антропогенного происхождения Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды РФ в 2011 г.» http://www.mnr.gov.ru/regulatory/list.php?part=1101 Основные единицы оценки степени загрязнения окружающей среды: • Единица «ИЗА» - рассчитывается как сумма деленных на ПДК средних за год концентраций веществ, с помощью несложных расчетов, приводящих величину ИЗА к величине концентрации диоксида серы в долях ПДК. • • • • • Уровень загрязнения воздуха считается: низким при ИЗА < 5 повышенный 5 < ИЗА < 6 высокий 7 < ИЗА < 13 очень высокий 14 < ИЗА • Единица «СИ» - наибольшая измеренная за короткий период (20 мин) концентрация вещества, деленная на ПДК. При СИ > 10 загрязнение воздуха считается очень высоким. Законодательство по охране воздуха в СССР и России • Закон РСФСР «Об охране атмосферного воздуха» (1982) • Федеральный закон РФ «Об охране атмосферного воздуха» (1999) • УК РФ статья 251 «Загрязнение атмосферного воздуха» • Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния, Женева, 1979 • Венская конвенция об охране озонового слоя, 1985 • Рамочная конвенция ООН об изменении климата, 1992 • Киотский протокол к Рамочной конвенции ООН об изменении климата, 1998. Основные причины заболеваемости и смертности • • • • • • • • Возраст Травмы, ДТП, Алкоголизм, наркозависимость Эпидемии, недостаточная личная гигиена Интоксикация Гиподинамия, переедание Нервный стресс Запоздалая диагностика заболеваний Ба́рри Ко́ммонер (Comenar; 1917 —2012) — американский биолог и эколог. Кандидат в президенты США в 1980 году. • Всё связано со всем — в законе отражён экологический принцип холизма (целостности), он основан на законе больших чисел. • Всё должно куда-то деваться — закон говорит о необходимости замкнутого круговорота веществ и обеспечения стабильного существования биосферы. • Природа знает лучше — закон имеет двойной смысл — одновременно призыв сблизиться с природой и призыв крайне осторожно обращаться с природными системами. • Ничто не даётся даром — закон говорит о том, что каждое новое достижение неизбежно сопровождается утратой чего-то прежнего Лучший способ борьбы с загрязнением – не загрязнять Выводы: • Уровень загрязнения окружающей среды за последние 100-200 лет возрос многократно, как по номенклатуре, так и по количеству и объемам загрязняющих веществ • Увеличение разнообразия продуцируемых соединений потенциально опасно тем, что многие из них чужеродны для биосферы (ксенобиотики), а значит и виды, и сообщества исторически не приспособлены к ним. • Поэтому производство любых новых соединений должно продолжительно оставаться ограниченным, как бы выгодны они ни были. В этом вопросе уместен «принцип предосторожности». Необходимо всесторонне изучать потенциальную опасность новых веществ для биосферы. Факультативное домашнее задание по лекции №7 : Загрязнение окружающей среды Ранжируйте по значению (начиная от важнейших) неблагоприятные факторы, действующие или потенциально опасные лично для Вас, например: 1. Болезнь 2. Нервное напряжение, переживания, страх и пр. 3. Загрязнение воды 4. Электромагнитное воздействие 5. Материальные затруднения 6. Депрессия Число пунктов не ограничено Все примеры приведены условно. Ориентируйтесь на свои. Цель – определить место неблагоприятных экологических воздействий в Вашей жизни.