Загрязнение биосферы - Институт экономики, управления и
реклама
ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ «…технический мир – техносфера построена во имя решения проблем безопасности; – обезопасить себя от голода, холода, для комфортности жизни. В итоге этот энергонасыщенный мир сам стал опасным для человека. Академик В.А. Легасов 1. Загрязнение окружающей экологического кризиса среды как следствие глобального 2. Техносферный материальный баланс, 3. Принципы и технологии экологизации производства для преодоления загрязнения окружающей среды 4. Определение загрязнений 5. Классификация загрязнителей, их характеристика 6.Накопление загрязняющих биологического усиления. веществ в пищевых цепях; правило Загрязнение окружающей среды как следствие экологического кризиса Загрязнение окружающей среды человеком – не есть сугубо современное явление, оно началось давно. Начало техногенезу положил первый костер, зажженный нашим предком. Применение огня расширило ареал обитания человека, дополнило собирательство и охоту новыми приемами добывания, приготовления и запасания пищи, при этом зародились будущие термотехнологии. Человек всегда безудержно истощал природные ресурсы, загрязняя при их использовании окружающую среду. В неолите человек использовал сначала только свою мускульную энергию, потом – лошадиную силу. 1 Начиная с XV века рост населения, развитие ремесел, торговли, строительства, военного дела ускорили освоение новых земель; сведение лесов дали мощный толчок развитию рудного дела, металлургии, созданию машин на механическом приводе. Однако наибольшее ускорение и экологическое значение техногенез приобрел с момента появления тепловых машин и начала использования ресурсов ископаемого топлива. Техногенез – с экологической точки зрения – это современный этап эволюции, обусловленный деятельностью человека, вносящий в биосферу вещества, энергию и информацию, которые изменяют и нарушают ее равновесное состояние и замкнутость биотического круговорота. Это определение перекликается с понятием техногенеза, применяемым в геохимии (А.Е. Ферсман, 1937; А.И. Перельман, 1970). Ситуации экологических кризисов неоднократно переживались в истории цивилизации. Периодическое обострение экологических ситуаций является объективной исторической закономерностью и связано с особенностями развития производительных сил общества. Экологические кризисы могли длиться сотни и даже тысячи лет. История знает немало примеров, когда древние цивилизации погибали, пытаясь построить свое могущество на чрезмерной эксплуатации природных ресурсов (районы Северной Африки, Аравийского полуострова, Междуречья, поймы рек Ганга, Янцзы). Как только оказалось, что созданная человеком машина может развивать мощность многих лошадиных сил, направление дальнейших взаимоотношений человека с природой было однозначно предрешено. Недаром в эпитафии на могиле Джеймса Уатта есть слова: «…увеличил власть человека над Природой». С тех пор эта власть проявляется главным образом, в потреблении природных ресурсов и загрязнении окружающей среды. Эпоха истощительной химической теплоэнергетики еще не закончилась, но уже надвинулась следующая – эпоха ядерной теплоэнергетики на невозобновимых ресурсах, которая грозит еще более опасным загрязнением. Таким образом, на определенном этапе развития хозяйственной деятельности человека происходит истощение доступных для эксплуатации природных ресурсов – развивается экологический кризис. Он преодолевается с помощью экологической революции и через рост технической перевооруженности общества, расширения границ доступных природных ресурсов. 2 Современный глобальный экологический кризис имеет свои особенности. Во-первых, на современном историческом отрезке наблюдается стремительный рост населения планеты. Так, если в начале Новой эры численность населения оценивалась примерно в 200 млн человек, то к началу ХХ века она составила 1,6 миллиарда; к 2010 г. – 7 миллиардов человек. Такое резкое увеличение численности населения планеты приводит к многократному увеличению антропогенного пресса на природные системы, которые имеют ограниченную способность утилизировать все возрастающие объемы отходов цивилизации. Во-вторых, синтезированные химической промышленностью новые, чуждые для биосферы вещества (ксенобиотики) не могут быть утилизированы в биотическом круговороте, т.к. в природе отсутствуют агенты для их переработки, и, образно говоря, растут горы мусора в окружающей среде. В-третьих, современный экологический кризис связан с истощением ресурса биологических систем приспосабливаться к изменениям окружающей среды. Кризис адаптации проявился в снижении устойчивости экологических систем, в замене их менее продуктивными. В человеческом обществе обострились проблемы здравоохранения; 95% заболеваний связано с загрязнением окружающей среды. Кроме того, наблюдаются новые закономерности в распространении и характере патологии человека. Но глубинная причина современного экологического кризиса – это духовный кризис цивилизации. Долгое время господствовали представления о человеке как хозяине Земли, а Природа рассматривалась как мастерская, в которой все можно было переделывать по своему усмотрению, невзирая на объективные законы Природы. В настоящее время значительная часть биосферы преобразована с помощью техники в техносферу, где деятельность человека нарушает правила, принципы и законы природы. Человек сегодня способен изменять силу действия и число лимитирующих факторов, они влияют на диапазон оптимальности значений факторов среды. Иллюстрируют это такие факты, как последствия внесения минеральных удобрений, осушения территорий, кислотных осадков. Хозяйственная деятельность человека практически уничтожила такие экосистемы как прерии, степи. В других природных экосистемах нарушены свойственные им принципы и механизмы функционирования. Произошло нарушение правила 3 экологических пирамид, так как в человеческих популяциях, занимающих верхние уровни в пирамидах энергии, биомассы, численности, аккумулированы значительные ресурсы в результате присвоения и вложения в системы дополнительной энергии. Эти нарушения вызывают изменения в круговороте воды и биогенных веществ, способствуют накоплению отходов. Вмешательство в структуру и функционирование компонентов биосферы человеком происходит в земледелии, например, замена боле продуктивных экосистем менее продуктивными, отчуждение почв под строительство, нарушение естественных круговоротов при перемещении больших масс биологической продукции. Это приводит к уменьшению объемов живого вещества (биомассы) биосферы. Наиболее серьезные проблемы связаны с потреблением биоресурсов, технической энергетикой, промышленным производством. Ежегодное изъятие не менее 10 Гт сухого вещества биомассы в виде сельскохозяйственной продукции, древесины и морепродуктов составляет более 7% продукции фотосинтеза на суше. Но кроме этого человек косвенно переводит в антропогенный канал еще около 30% первичной продукции экосистем суши, в целом снижая продуктивность биосферы. В окружающую среду выделяется более 530 ЭДж техногенной теплоты. Техносферный материальный баланс Наиболее существенным отличием техногенного массообмена от биотического круговорота является то, что техносферный круговорот существенно разомкнут как в количественном, так и качественном отношении. Он нарушает необходимую высокую степень замкнутости биотического круговорота, которая была выработана в процессе длительной эволюции и является важнейшим условием стационарного состояния биосферы, что означает серьезное нарушение биосферного равновесия. На поверхности планеты происходит накопление ресурсов и продуктов их переработки в огромных масштабах. Деструктивные процессы происходят в тысячи раз быстрее по сравнению с естественным ходом биосферных процессов. Примеры свидетельствуют о нарушении человеком принципа Ле Шателье–Брауна, следствием этого является несоответствие темпов изменения среды и адаптационных возможностей организмов, нарушение в 4 соотношении численности отдельных видов, снижении устойчивости и продуктивности экосистем, невозможности самовосстановления биосферы в целом и угроза для существования человека как вида. Таким образом, высокий уровень техногенных нагрузок на биосферу породил проблему экологической опасности индустриального общества из-за загрязнения окружающей среды. Наиболее характерные черты техногенеза в ХХ веке можно представить следующим образом. 1. За 100 лет мировое потребление энергии увеличилось почти в 14 раз; суммарное потребление первичных энергоресурсов превысило 400 млрд т условного топлива. Темп роста мировой энергетики рос вдвое быстрей, чем численность населения. 2. В структуре топливного баланса произошел переход от преобладания дров и угля к углеводородному топливу – нефти и газу (до 65%), к заметному вкладу ядерной и гидроэнергетики; хозяйственное значение начали приобретать альтернативные энергетические технологии. Среднее душевое потребление электроэнергии достигло 2400 кВт ч /год, что оказало большое влияние на структурные сдвиги в производстве и быте сотен миллионов людей. 3. Многократно увеличились добыча и переработка минеральных ресурсов. Производство черных металлов возросло в 8 раз; еще интенсивнее был рост производства цветных металлов, в основном за счет быстрого наращивания выплавки алюминия; производство цемента за 90 лет выросло почти от нуля до 1 млрд т/год. С 40-х годов началась промышленная добыча урана. 4. Важной чертой современного техногенеза является интенсивная химизация всех отраслей хозяйства. Для различных целей в обиход было введено более 400 тысяч различных синтетических соединений; за последние 50 лет было произведено и применено более 6 млрд т минеральных удобрений. За 40 лет в десятки раз возросло производство пластмасс, синтетических волокон, детергентов, пестицидов, лекарственных препаратов. 5. В ХХ веке значительно вырос объем производства и изменилась структура машиностроения; произошло развитие электротехники и автоматизации; увеличилась единичная мощность машин и агрегатов. Получили быстрое развитие такие отрасли, как производство средств связи, приборостроение, радиотехника, электроника, вычислительная техника. 5 6. Научно-техническая революция в вооружении устранила географические и природные ограничения в применении военной техники. Космос и воздушное пространство, вода и подводное пространство, поверхность планеты от полюсов холода до экваториальной жары стали доступны для ведения боевых действий. Создали непосредственную угрозу выживаемости человечества принципиально новые виды оружия массового поражения (ОМП). Его дальнейшая разработка привела к созданию оружия на качественно иных физических принципах (кинетическое, лазерное, вакуумное, биосферное, метеорологическое) и других видов ОМП. В настоящее время ведется создание боевых космических систем направленной энергии; разработка методов очагового разрушения озонового слоя Таким образом, смена этапов техногенеза, основных типов технологий происходит намного быстрее, чем сменяются параметры биотического круговорота в эволюции биосферы. Огромный технический потенциал человечества сам по себе обладает внутренней неустойчивостью. Из-за высокой концентрации источников риска (виды вооружений, отравляющие вещества, ядерное топливо) они угрожают не только биосфере, но и включают потенциал самоуничтожения. К сожалению, эта угроза многими не осознается, т.к. в сознании людей она маскируется положительными результатами социального прогресса во второй половине столетия, когда выросли доходы населения, эффективнее стали здравоохранение, образование, улучшилось питание, увеличилась продолжительность жизни. Техногенез приобрел глобальный характер и качественно новую форму, способствуя быстрому расширению и распространению техносферы – совокупного результата хозяйственной деятельности. Техносфера – это глобальная совокупность орудий, объектов, материальных процессов и продуктов общественного производства. В ХХ веке человек раздвинул границы техносферы далеко за пределы биосферы – в космос, вглубь земной коры, на дно Мирового океана, в субмолекулярный микромир, создав особую материально энергетическую оболочку планеты. Мировое хозяйство стало глобальной техникоэкономической и эколого-географической системой. В настоящее время общая масса техносферы составляет от 10 до 20 тысяч Гт; это больше биомассы живого вещества биосферы. Основную ее часть образуют 6 скопления горной массы, отработанных руд, перемещенных грунтов, производственных отходов, оставленные сооружения, развалины, т.е. накопившееся за всю историю человечества техногенное вещество. Наиболее активная часть техносферы, т.е. вся совокупность орудий производства, машин, механизмов, агрегатов, реакторов, коммуникаций имеет массу порядка 10 – 15 Гт и обновляется за средний срок порядка 10 лет. Из 125 Гт ископаемых материалов и биомассы, мобилизуемых за год мировой экономикой, только 9,4 Гт (7,5%) преобразуется в материальную продукцию в процессе производства. Более 80% этого количества вновь возвращается в основные фонды производства. Только 1,6 Гт составляет личное потребление, 2/3 этой массы относится к нетто-потреблению продуктов питания. Масштабы загрязнения планеты стали впервые зримо ощущаться со второй половины ХХ века. В 1967 г. в антарктических водах в организме пингвинов был обнаружен препарат ДДТ. Источником его появления был пестицид, смытый с полей Африки, Америки, СССР и, благодаря круговороту воды в природе, поступивший в воды Южного континента. Основной целью созданного в 1968 г. экономистами и социологами мира «Римского клуба» стало привлечение внимания мировой общественности к необходимости совместного решения глобальных проблем, вставших перед человечеством. Выводы доклада «Пределы роста» на первом заседании Римского клуба убедительно доказали, что успехи мировой экономики, достигнутые за последние два столетия, иллюзорны. Экономический прогресс и достижение благополучия практически любой ценой приводят к деградации биосферы. Глобальное загрязнение окружающей среды, истощение природных ресурсов, усугубление ситуации демографического взрыва при усилении диспропорций в уровне благосостояния развитых и развивающихся стран привели к мировому системному кризису. При сохранении существующих тенденций он может привести к глобальной экологической катастрофе. Факты трансграничного переноса пестицидов, других загрязняющих веществ, кислотных осадков и экологических последствий этого, представленные на первой Международной конференции по окружающей среде и развитию в 1972 г. в Стокгольме под эгидой ООН привлекли внимание мировой общественности к нарастающей экологической опасности и подняли проблему на государственный уровень. 7 Концепция устойчивого развития и глобальная программа «Повестка дня на ХХ1 век» констатировала цели: «создание условий, обеспечивающих удовлетворение потребностей сегодняшнего дня, не подвергая риску способность окружающей среды поддерживать жизнь в будущем, не ставя под угрозу возможности будущих поколений». В конце ХХ века объем выбросов загрязняющих веществ стал соизмерим с масштабами природных процессов миграции и аккумуляции различных соединений. В результате глобальное загрязнение окружающей среды – гидросферы, атмосферы, почвы породило проблемы изменения климата, кислотных дождей, истощения озонового слоя, опустынивания, деградации почв и нехватки продовольствия, пандемии, радиации, утрате навсегда тысяч видов растений и животных, массового размножения патогенных вредителей, гибели природных систем в зоне военных действий. В компьютерных глобальных прогнозных математических моделях 70– 80-х гг. прошлого столетия гидролитосфера рассматривалась исключительно как источник минерального сырья, энергетических ресурсов и пресных вод. Но, логически рассуждая, в процессе использования ресурсов одновременно сюда же происходит поступление продуктов их переработки (в том числе – продуктов сгорания) в окружающую среду. Только в середине ХХ века человечество стало осознавать, что «…идея покорения природы несет в себе элементы собственного разложения (П. Флоренский). «Человек со своей культурой целиком стал колесом огромного механизма, рассчитанного на войну с самим собой и с природой, как на высшую и окончательную цель» констатировал Ф.Шипунов в анонсе фильма «Плотина». Прекрасно иллюстрирует эту ситуацию отрывок из рассказа В.Шукшина «Механизатор»: «… Чичас че? Техника везде. Счас и дрова поперечной пилой – никто, только дурак шоркает. И зверя с техникой брать легче. Вот у нас парень есть, шофер и тракторист, механизатор вобщем. Так он тут машиной зайцев давить наловчился. Ночью. Или вот мода на барсука пошла, бабы и мужики шапки носят барсучьи. На барахолке шкуры с руками рвут. А мех-то, видали, красота, волной ходит. А где его взять, барсука? Он под землей в норе прячется. Вот и берешь мотоцикл, шланги к ему на выхлоп. Ну, подъедешь к норе, шланги – туда, 8 мотоцикл стоит тыр-пыр, тыр-пыр. Барсук, он хоть и в спячке, не может угару вынести. Самку я недавно здоровую добыл. А в ней барсучишко, с варежку всего…» В этом воистину страшном эпизоде отразилось все несоответствие между огромными возможностями, которые получает человек, вооруженный техникой, и неразвитой нравственностью этого человека. Прогресс знания, практики и творчества без нравственного прогресса – есть зло! Необходимо сменить доминирующие тенденции мирового развития и наше отношение к природе. Принципы и технологии экологизации производства Неблагополучная экологическая ситуация в 60-х годах прошлого века и ужесточение (в основном через экономику и законодательство) экологических требований привели к изменениям в промышленном производстве, энергетике, транспорте в направлении усиления природоохранных и средозащитных функций. Беспечное и беспорядочное отношение к отходам производства, не подлежащим утилизации или вторичной переработке, сменилось организованным их складированием и захоронением, созданием специализированных полигонов и хранилищ. Ранее эта деятельность носила стихийный характер и была связана со стремлением скрыть опасные загрязнения. Печальным примером служит дампинг – «утопление» в морях вредных химических, радиоактивных отходов. По существу концентрирование и перемещение вредных веществ в пространстве или, наоборот, их разбавление в больших объемах транспортирующих сред – воздуха или воды – до сих пор остаются главным способом «охраны окружающей среды», но с точки зрения эколога представляют собой «заметание сора под лавку». В последние десятилетия эта тактика дополнилась циничной «экологической геополитикой», при которой опасные агенты экспортируются в страны третьего мира – в виде строительства на их территории предприятий, работающих по экологически опасным высокоотходным технологиям. Прогрессивное направление – очистка выбросов и стоков от загрязнителей – постепенно переходит к улавливанию отходов в виде 9 вторичного сырья, полезных материалов. Циклы реутилизации вторичного сырья включают производство различных изделий, сжигание органических отходов с получением полезной энергии, переработку мусора в компост, получение биогаза, обеспечение биотехнологий. Переориентация различных производств на малоотходные циклы основана на создании совершенного очистного и средозащитного оборудования, «экологизированной» техники, мусороперерабатывающих агрегатов и предприятий. В развитых странах эта «экологическая промышленность» оказывается в ряду лидирующих производств, намного расширяет сферу занятости и приносит немалую прибыль. Происходит экологическая конверсия производства; экологические требования при этом не противоречат экономическим интересам, когда капитал приобретается не за счет ухудшения состояния среды, а благодаря решению экологических проблем, это демонстрируют лозунги: «Экономично то, что экологично, и экологично то, что экономично», «Лучше не произвести, чем не продать». Экологизация промышленного производства направлена на одновременное повышение эффективности и снижение ресурсоемкости. Существуют принципиальные направления снижения ресурсоемкости: – изменение отраслевой структуры производства с уменьшением относительного и абсолютного количества ресурсоемких высокоотходных производств и исключением выпуска антиэкологичной продукции; – кооперирование разных производств с целью максимального использования отходов в качестве вторичных ресурсов; создание производственных объединений с высокой замкнутостью материальных потоков, продукции и отходов; – смена производственных технологий и применение новых, более совершенных ресурсосберегающих и малоотходных технологий; – создание и выпуск новых видов продукции с длительным сроком жизни, пригодных для возвращения в производственный цикл после физического и морального износа; сокращение выпуска расходных материалов; – система СКОВИО – сокращение количества отходов в источнике поступления; – совершенствование очистки производственных эмиссий и транспортирующих сред от техногенных примесей, с одновременной 10 детоксикацией и иммобилизацией конечных отходов; разработка и внедрение эффективных систем улавливания и утилизации отходов. Таким образом, для снижения ресурсоемкости производства в целом необходимо объединение всех этих способов. Кроме этого необходимо техническое перевооружение, внедрение малоотходных технологий, экономического и технического контроля экологизации. Экологизация энергетики наряду с требованиями, относящимися к промышленному производству, предполагает осуществление мер, которые направлены: – постепенное сокращение способов получения энергии на основе химических источников, т.е. с помощью экзотермических химических реакций, в том числе окислительных и электрохимических, и в первую очередь – сжигания любого топлива; – максимальную замену химических источников природными возобновимыми источниками энергии, среди которых ведущая роль должна принадлежать солнечной энергии. Единственным действительно экологичным химическим топливом может стать только водород, полученный путем гелиоэнергетического фотолиза воды. В ядерной, в том числе и термоядерной энергетике даже при абсолютном устранении всех форм радиационного загрязнения (что весьма проблематично) остается неустранимое тепловое загрязнение экосферы. Экологизация энергетики содержит множество резервов и принципиальных технических решений – от общего сокращения объема производства энергии на основе всех форм экономии энергии до изменения структуры использования топлив и технологии преобразования энергии. Энергетикам становится ясно, что главным мотивом вынужденной экологизации становится не столько близость исчерпания топливных ресурсов, сколько требования глобальной экологии. Экологизация транспорта необходима потому, что ресурсоемкость транспорта в скором времени может превзойти ресурсоемкость стационарной энергетики и промышленного производства; и предполагает: – включение экологических требований в организацию транспортных потоков с целью уменьшения транспортного загрязнения за счет сокращения холостых пробегов и рационализации маршрутов; 11 Подавление тенденции индивидуализации транспортных средств и содействие развитию комфортного и экономичного общественного транспорта с целью уменьшения общего числа транспортных единиц; – создание новых транспортных средств и замена одних средств транспорта другим, более экологичным; – разработка и применение более безопасных топлив или других энергоисточников; замена вредных топливных присадок каталитическими средствами оптимизации сжигания; дожигание и очистка выхлопов двигателей внутреннего сгорания; – пассивная и активная защита от шума. Экологизация сельского хозяйства стала необходимой, поскольку в ХХ веке оно превратилось в агропромышленное производство со всеми последствиями механизации и химизации. Индустриализация агрокомплексов, широкое применение минеральных удобрений и пестицидов повысило удельную продуктивность агроценозов, но снизило их экологичность и экологические качества сельскохозяйственной продукции. Для преодоления этой тенденции необходимо: – ограничение использования солевых форм минеральных удобрений, замена их специально трансформированными органическими удобрениями и коллоидированными органо-минеральными смесями. Эту технологию иногда называют «биологическое» или «органическое» земледелие; – минимизацию применения пестицидов и максимальную замену их биологическими средствами борьбы с вредителями; – исключение гормональных стимуляторов и химических добавок при кормлении животных; – предельную осторожность в использовании трансгенных форм сельскохозяйственных растений и других продуктов генной инженерии; – применение наиболее щадящих методов обработки земли. Любой производственный процесс представляет собой некоторую систему, органически связанную с внешней средой. Производственная система пополучает из окружающей среды исходное сырье, материалы, энергию, а отдает готовую продукцию (намеренную продукцию) и всевозможные отходы (ненамеренную продукцию). 12 Функционирование системы осуществляется благодаря потоку энергии (электрической, солнечной), либо генерируемой внутри системы за счет физико-химических процессов. К отходам относятся все вещества и материалы, тепловые выбросы, физические и биологические агенты, которые попадают во внешнюю среду и в дальнейшем уже не участвуют в получении продукции или энергии. Согласно представлениям термодинамики, технологические процессы в принципе подразделяются на три категории: незамкнутые (открытые), замкнутые и изолированные. Абсолютное большинство реальных технологических процессов относятся к категории незамкнутых. Замкнутыми считаются такие системы, у которых отсутствует обмен с внешней средой веществом, но возможен обмен энергией. Технологическим аналогом замкнутой системы служит такой процесс, в котором полностью отсутствуют отходы химических веществ – твердые, жидкие и газообразные выбросы. Теоретически возможны и изолированные процессы, которые не дают ни материальных, ни энергетических отходов. В общем случае все технологические процессы можно рассматривать с точки зрения их экологического соответствия. Относительно экологичными можно считать такие технологические процессы и производства, воздействия которых на окружающую среду не нарушает нормального функционирования природных экосистем. Неэкологичные технологические процессы создают повышенную техногенную нагрузку и оказывают негативное воздействие на состояние окружающей природной среды. Так, замкнутый технологический процесс, не имеющий отвода химических веществ в окружающую среду, нельзя считать экологичным, если он сопровождается вредными физическими воздействиями: тепловыми выбросами, шумами, электромагнитными полями. Определение загрязнения окружающей среды Наиболее распространенным видом отрицательного воздействия человека на биосферу является загрязнение, с которым связаны так или иначе основные острейшие экологические ситуации. Загрязнением называют поступление в окружающую природную среду любых твердых, жидких, 13 газообразных веществ, микроорганизмов, энергии (в виде звуковых волн, излучений) в количествах, вредных для здоровья человека, животных, состояния растений и других форм жизни. Загрязнитель – это вещество, физический фактор, биологический вид, находящиеся в окружающей среде в количестве, выходящем за пределы их естественного содержания в природе. Иными словами загрязнитель – это все то, что не в том месте, не в то время, не в том количестве присутствует в окружающей среде. Любое вещество или фактор может стать загрязнителем при определенных обстоятельствах. Например, катионы натрия необходимы организму для поддержания электролитического равновесия, проведения нервных импульсов, активизации пищеварительных ферментов. Однако в больших количествах соли натрия ядовиты; так, 250 г поваренной соли является летальной дозой для человека. Последствиями загрязнений любого типа могут стать: – нарушение систем жизнеобеспечения на локальном, региональном, глобальном уровнях: изменение климата, снижение естественной скорости круговорота веществ и энергии, необходимых для нормальной жизнедеятельности человека и других живых существ; – вред для здоровья человека: распространение инфекционных заболеваний, раздражение и болезни дыхательных путей, изменения на генетическом уровне, изменение репродуктивной функции, раковые перерождения клеток; – нанесение ущерба растительности и животному миру; снижение продуктивности лесов и продовольственных культур, вредное воздействие на животных, что приводит к их вымиранию; – нанесение ущерба имуществу: коррозия металлов, химическое и физическое разрушение материалов, зданий, памятников; – неприятное и эстетически неприемлемое воздействие: неприятный запах и вкус, уменьшение видимости в атмосфере, загрязнение одежды. Загрязнение природной среды можно контролировать на входе и выходе. Контроль на входе препятствует проникновению потенциального загрязнителя в окружающую среду или резко сокращает его поступление. Например, примеси серы могут быть удалены из угля до его сжигания, что предотвратит или резко снизит появление в атмосфере диоксида серы, 14 вредного для растений и дыхательной системы. Контроль на выходе направлен на ликвидацию отходов, уже попавших в окружающую среду. Классификация загрязнителей Различают природные и антропогенные источники загрязнения. Природное загрязнение связано с деятельностью вулканов, лесными пожарами, селевыми потоками, выходом полиметаллических руд на поверхность земли; выделением газов из недр земли, деятельностью микроорганизмов, растений, животных. Антропогенное загрязнение связано с хозяйственной деятельностью человека. Классификация антропогенных (техногенных) воздействий, обусловленных загрязнением среды, включает основные категории: 1.Материально-энергетические характеристики воздействий: механические, физические (тепловые, электромагнитные, радиационные, акустические), химические, биологические факторы и агенты, их различные сочетания. В большинстве случаев в качестве таких агентов выступают эмиссии (т.е. испускания – выбросы, стоки, излучения и т.п.) различных технических источников. 2.Количественные характеристики воздействия: сила и степень опасности (интенсивность факторов и эффектов, массы, концентрации, характеристики типа «доза – эффект», токсичность, допустимость по экологическим и санитарно-гигиеническим нормам); пространственные масштабы, распространенность (локальные, региональные, глобальные). 3.Временные параметры воздействий по характеру эффектов: кратковременные и длительные, стойкие и нестойкие, прямые и опосредованные, обладающие выраженным или скрытными следовыми эффектами, обратимые и необратимые, актуальные и потенциальные, пороговость эффектов. 4.Категории эффектов воздействия: различные живые реципиенты (способные воспринимать и реагировать) – люди, животные, растения, а также компоненты окружающей среды, к которым относятся: среда поселений и помещений, природные ландшафты, почва, водные объекты, атмосфера, околоземное пространство; сооружения. 15 В пределах каждой из этих категорий возможно определенное ранжирование экологической значимости факторов, характеристик и объектов. В целом по природе и масштабам актуальных воздействий наиболее существенны химические загрязнения, а самая большая потенциальная угроза связана с радиацией. В последнее время особую опасность представляет не только рост загрязнений, но и их суммарное влияние, часто превышающее по конечному эффекту простое суммирование воздействий, имеющее «пиковый» эффект – синергизм. Что касается объектов воздействия, то на первом месте стоит человек. Источниками антропогенного загрязнения окружающей среды являются предприятия промышленности, энергетики, сельского хозяйства, строительства, транспорта, производства и потребления продуктов питания, использования предметов быта. Источниками техногенных эмиссий могут быть организованные и неорганизованные, стационарные и подвижные. Организованные источники оборудованы специальными устройствами для направленного вывода эмиссий (труба, вентиляционные шахты, сбросные каналы), эмиссии от неорганизованных источников произвольны. Источники различаются также по геометрическим характеристикам (точечные, линейные, площадные) и по режиму работы – непрерывному, периодическому, залповому. Источниками химического и теплового загрязнения являются термохимические процессы в энергетике – сжигание топлива и связанные с ним термические и химические процессы. Попутные реакции связаны с содержанием в топливе различных примесей, с окислением азота воздуха и со вторичными реакциями уже в окружающей среде. Все эти реакции сопровождают работу тепловых станций, промышленных печей, двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных и реактивных двигателей, процессы металлургии, обжига минерального сырья. Наибольший вклад в энергетически зависимое загрязнение среды вносит энергетика и транспорт. В среднем в топливной теплоэнергетике на 1 т условного топлива выбрасывается около 150 кг загрязнителей. Рассмотрим баланс веществ «среднего» легкового автомобиля при расходе горючего 8 л (6 кг) на 100 км. При оптимальной работе двигателя сжигание 1 кг бензина сопровождается потреблением 13,5 кг воздуха и выбросом 14,5 кг отработанных веществ. В выбросах регистрируются до 200 16 соединений. Общая масса загрязнений – в среднем около 270 г на 1 кг сжигаемого бензина в пересчете на весь объем горючего, потребляемого легковыми автомобилями мира, составит около 340 млн т; для всего автомобильного транспорта – до 400 млн т. По масштабам загрязнения могут быть местными, локальными, характеризующимся повышенным содержанием загрязняющих веществ на небольших территориях (город, промышленное предприятие); региональными, когда под воздействие попадают большие пространства (бассейн реки, государство); глобальным, когда загрязнение обнаруживается в любой точке планеты (загрязнение биосферы) и космическим (мусор, отработанные ступени космических аппаратов). Как правило, многие антропогенные загрязнители ничем не отличаются от природных, исключение составляют ксенобиотики, чужеродные для природы вещества. Это произведенные химической промышленностью искусственные и синтетические соединения: полимеры, поверхностноактивные вещества. В природе отсутствуют агенты для их разложения, усвоения, поэтому они накапливаются в окружающей среде. Различают первичное и вторичное загрязнение. При первичном загрязнении вредные вещества образуются непосредственно в ходе природных или антропогенных процессов. При вторичном загрязнении вредные вещества синтезируются в окружающей среде из первичных; образование вторичных загрязнителей зачастую катализируется солнечным светом (фотохимический процесс). Как правило, вторичные загрязнители токсичнее первичных (из хлора и оксида углерода образуется фосген). Все виды загрязнения среды можно объединить в группы: химическое, физическое, физико-химическое, биологическое, механическое, информационное и комплексное. Химическое загрязнение связано с поступлением в окружающую среду химических веществ. Физическое загрязнение связано с изменением физических параметров среды: температуры (тепловое загрязнение), волновых параметров (световое; шумовое, электромагнитное); радиационных параметров (радиационное и радиоактивное). Формой физико-химического загрязнения является аэрозольное (смог, дым). Биологическое загрязнение связано с внесением в среду и размножением нежелательных для человека организмов, с проникновением или интродукцией в природные системы новых видов, что вызывает 17 негативные изменения в биоценозах. Засорение среды материалами, оказывающими неблагоприятное механическое воздействие без физикохимических последствий (мусор) называется механическим загрязнением. Комплексное загрязнение среды – тепловое и информационное, обусловлено совместным действием различных видов загрязнения. Некоторые загрязнители приобретают ядовитые свойства после попадания в организм в процессе происходящих там химических превращений. Одно и то же вещество или фактор может вызывать множественное действие на организм. Результат действия загрязнителей на организм человека проявляется различно. Яды действуют на печень, почки, системы кроветворения, крови, органов дыхания. Канцерогенный и мутагенный эффекты – в результате изменения информационных свойств половых и соматических клеток, фиброгенный – появления доброкачественных опухолей (фибром); тератогенный – уродства у родившихся; аллергенный – вызывающие аллергические реакции: поражение кожных покровов (экземы), дыхательных путей (астмы); нейро- и психотропный эффект связан с воздействием токсиканта на центральную нервную систему организма человека. По механизму действия загрязнителя на организм различают: – вещества раздражающего действия, которые изменяют рН слизистой оболочки или раздражают нервные окончания; – вещества или факторы, изменяющие соотношение окислительных и восстановительных реакций в организме; – вещества, необратимо связывающиеся с органическими неорганическими соединения, из которых состоят ткани; или – жирорастворимые вещества, нарушающие функции биологических мембран; – вещества, замещающие химические элементы или соединения в клетке; –факторы, влияющие на электромагнитные и механические колебательные процессы в организме. Загрязнение окружающей среды химическими веществами 18 Появление в окружающей среде продуктов производства химической промышленности – ксенобиотиков, отсутствующих в ней ранее или изменяющих естественную концентрацию до уровня, превышающего обычную норму, называют химическим загрязнением. Химическое загрязнение обусловлено токсическим воздействием химических веществ. В основе жизни, как и в основе изменения химического состава биосферы, лежат химические и биохимические процессы, поэтому для моделирования и управления динамическим равновесием в биосфере необходимо знание химических механизмов взаимодействия между отдельными подсистемами. Есть и другой аспект взаимоотношений химии и экологии: речь идет о качественном и количественном составе химических антропогенных загрязнений биосферы в результате производственной и сельскохозяйственной деятельности человека. Здоровье человека и состояние окружающей среды тесно взаимосвязаны; поэтому особую опасность для здоровья представляют химические загрязнители. Токсичностью называется способность различных химических элементов или их соединений оказывать вредное воздействие на микроорганизмы, растения, животных, человека. Понятие токсичность относится не к определенным элементам, а к любым химическим загрязняющим веществам, поступающим в биосферу в высоких концентрациях. Справедливым является утверждение, что нет токсичных веществ, есть токсичные концентрации. Накопление загрязняющих веществ в пищевых цепях Организм человека, как и любого биологического вида, в процессе жизнедеятельности непрерывно извлекает разнообразные химические вещества из окружающей среды, преобразует их и снова возвращает в окружающую среду. Этот круговорот веществ регулируется процессами питания и дыхания; при этом пища является главным источником биологически активных веществ, содержащих биогенные химические элементы. 19 В.И. Вернадский открыл закон биогенной миграции атомов – это миграция химических элементов в биосфере в целом при непосредственном участии живого вещества; она подразделяется на три рода: – биогенная миграция атомов 1-го рода осуществляется микроорганизмами; она характеризуется огромной интенсивностью, связанной с их малым объемом и весом; – биогенная миграция 2-го рода осуществляется многоклеточными организмами; – биохимическая миграция атомов 3-го рода, связанная с жизнедеятельностью данного вида. Например, воздействие на почву грызунов – землероев, дождевых червей, термитов. До экспансии человека этот вид геохимической миграции атомов играл подчиненную роль. Под влиянием жизненных форм значительная часть атомов, составляющих земную поверхность, находится в непрерывном интенсивном движении. Возрастает сила влияния живого вещества на планету, увеличивается ее воздействие на косное (неживое) вещество биосферы. Ученый констатировал, что в ХХ веке началось преобладание геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере. С появлением человеческого общества на планете, эта сила смещает пути и направления геохимических планетарных процессов. Сила действует стихийно, в своих эффектах проявляется вне сознания творящего ее человечества. Скорость социальной эволюции вместе со всеми деструктивными воздействиями на биосферу в настоящее время на 3 – 5 порядков выше скорости биологической эволюции, и в результате биосфера не может приспособиться к техногенным изменениям. Отсюда следует, что адаптация в системе «природа – общество» может осуществляться только в одностороннем порядке: человек – зависим от законов биосферы, которые обязательны для любого живого существа на нашей планете. Необходимо направить усилия людей на изучение и поддержание естественных механизмов саморегуляции и самоорганизации на планетарном уровне. Таким образом, коадаптационная стратегия в отношении биосферы должна включать сокращение населения Земли, ограничение потребления, становление биоцентрического мышления, что может привести к снижению антропогенной нагрузки на биосферу. 20 Химическое загрязнение представлено разнообразными неорганическими, органическими, органо-минеральными соединениями. Разнообразие устойчивых химических соединений бесконечно велико. В настоящее время установлена химическая структура более шести миллионов химических соединений, причем около двухсот тысяч новых соединений в год синтезируется человеком, либо экстрагируются в огромных концентрациях. Химия способствовала значительному развитию и подъему благосостоянию общества благодаря разнообразному применению огромного числа природных и синтетических веществ (топливо, масла, красители, полимеры, минеральные удобрения, пестициды, пищевые добавки, косметика, лекарства, растворители). Токсические свойства придают химическому веществу так называемые токсофорные группы: нитрит–, цианид–, сульфид–, галогенид– ионы и другие. Использование токсичных веществ привело к биодеградации природных экосистем, ухудшению здоровья человека. В качестве примеров можно привести углеводородное топливо, которое при сжигании выделяет канцерогенный бенз(а)пирен. Многие красители обладают канцерогенным эффектом; в том числе термостойкие добавки к маслам – полихлорированные бифенилы (ПХБ). Сжигание высокомолекулярного поливинилхлорида (ПВХ) приводит к появлению самых токсичных антропогенных веществ – диоксинов. Применение минеральных нитратных удобрений, пестицидов приводит к накоплению в организме токсичных веществ, обладающих канцерогенным эффектом. Широкое применение в различных областях производства фреонов, в том числе в качестве хладоагентов при производстве холодильников, способствовало разрушению озонового слоя Земли Огромную опасность для здоровья представляют многие ингредиенты косметических средств, например, родамин «В» в губной помаде, триокрезилфосфат в лаке для ногтей, гормоны в шампунях, креме. В последние годы запрещен ряд косметических компонентов, включая используемую в косметике токсичную трихлоруксусную кислоту. Например, запрещены: – гексахлорофен – антибактериальный препарат, соли тяжелых металлов, входящие в состав мыла, дезодорантов и кремов для кожи, который приводил к повреждению ткани мозга; 21 – лак для волос, в составе которого входит хлористый винил; его использование в аэрозольных баллончиках вызывал врожденные уродства и приводил к раку печени; – отбеливающие кожу кремы, содержащие соли высокотоксичной ртути. Ниже приведены «приоритетные» загрязнители: – диоксид серы, образующий сернистую, серную кислоту в кислотных дождях, попадающих на растительность, почву и водоемы; – полициклические ароматические углеводороды, в частности, бенз(а)пирен, обладающие канцерогенным эффектом; – диоксины из класса хлорированных углеводородов; – нефтепродукты, обладающие множественным токсическим эффектом; – пестициды; – оксид углерода (II) и оксида азота; – радиоактивные элементы (стронций-90, цезий-137, йод-131, углерод-14); – тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий и др.), способные накапливаться в трофических цепях и оказывать высокотоксичное действие на живые организмы; Для характеристики вреда химического вещества используют такие понятия как предел токсичности и длительность воздействия. В исследованиях на живых организмах, строят ряды токсичности веществ. При этом устанавливают максимально разовое и среднесуточное предельно допустимое содержание. Предельно допустимую концентрацию (ПДК) вещества устанавливают с целью ограждения человека от практически постоянных отрицательных воздействий вредных веществ. Вредные вещества в концентрациях, не превышающих ПДК, не вызывают у человека отравления и не нарушают его нормальной деятельности. Физические факторы загрязнения 22 Физическое загрязнение связано с изменением физических параметров среды: температуры (тепловое), волновых параметров (световое, шумовое, электромагнитное), радиационных параметров. Физическое волновое загрязнение среды – под этим общим условным названием объединена группа разнородных физических явлений и воздействий, которые имеют колебательную, волновую природу и исходят от технических источников. Это вибрации, акустические и электромагнитные воздействия, охватывающие диапазон частот от долей герца до миллиона мегагерц. В современной среде обитания человека они приобретают все большее значение и становятся важным фактором. Под вибрацией понимают малые механические колебания низкой частоты, возникающие в телах под действием переменного физического поля. При оценке вибрационной нагрузки на человека учитывается виброускорение (виброскорость), диапазон частот и время воздействия вибрации. В зависимости от способа передачи на человека вибрацию подразделяют на общую и локальну, передающуюся через руки допустимый уровень общей вибрации регламентируется в частотном диапазоне от 1 до 63 Гц, локальной виюрации – от 8 до 1000Гц. Вибрация относится к вредным факторам, обладающим большим биологическим эффектом. К основным источникам вибрации в окружающей среде относят рельсовый транспорт, инженерное оснащение зданий (лифты, компрессоры, холодильные установки), тяжелые грузовые и строительные машины, технологическое оборудование ударного действия. Акустическое воздействие. С физической точки зрения, шум представляет собой неупорядоченное сочетание звуков различной частоты и интенсивности; характеризуется звуковым давлением, интенсивностью звука и частотным диапазоном. Колебания с частотой менее 16 Гц называют инфразвуком, выше 20 кГц – ультразвуком. Неслышимый инфразвук может вредно воздействовать на организм человека, особенно на его психическое состояние. По санитарным нормам уровень инфразвука на территории жилой застройки не должен превышать 90 дБ. Электромагнитные воздействия. Природные электромагнитные поля (ЭМП) состоят в основном из магнитной компоненты, формируемой за счет действия Земли как постоянного магнита, и компонент, которые связаны с влиянием солнечной активности и атмосферных бурь. Во время ударов 23 молнии о поверхность земли возникают ЭМП с широким частотным спектром (от нескольких герц до нескольких мегагерц, поля распространяются на большие расстояния. Постоянные и электромагнитные антропогенные поля имеют более высокую интенсивность, чем природные поля. Источниками их являются: – электризующие поверхности; искусственные магнитные материалы; электромагниты; электролитические технологические процессы; транспортные средства с магнитной подвеской; медицинские установки и пр. К источникам электромагнитных полей промышленной частоты относятся: линии электропередач (ЛЭП) напряжением до 1150 кВ; коммутационные аппараты; устройства защиты и автоматики; бытовые приборы; электротранспортные средства; персональные компьютеры. Источниками электромагнитных полей радиочастотного диапазона являются: мощные телевизионные, радиовещательные, радиолокационные станции; промышленные установки высокочастотного нагрева; различные измерительные, контрольные, лабораторные и бытовые приборы. Электромагнитная энергия излучается через неэкранированные отверстия, щели и неплотности кожухов радиоэлектрической аппаратуры. Воздействие электростатического поля. Наиболее чувствительны к ЭСП центральная нервная система, сердечно-сосудистая система, анализаторы; при этом возникает раздражительность, головная боль, нарушения сна. Характерны различные «фобии», повышенная эмоциональная возбудимость, быстрая истощаемость, неустойчивость показаний пульса, артериального давления. Магнитные поля могут быть постоянные, импульсные, инфранизкочастотные (до 50 Гц), переменные. Степень воздействия магнитного поля на человека зависит от его максимальной напряженности. Большую часть спектра неионизирующих электромагнитных излучений (ЭМИ) составляют радиоволны. По характеру воздействия различают общее и местное облучение. Установлено, что относительная биологическая активность импульсных излучений выше непрерывных. В районе действия электрического поля линий электропередач у насекомых проявляются изменения в поведении: так, у пчел фиксируется повышенная агрессивность, беспокойство, снижение работоспособности, продуктивности,; у жуков, 24 комаров, бабочек и других летающих наблюдается изменение направления движения в сторону с мень шим уровнем поля. У растений появляются аномалии развития – часто меняются формы и размеры цветков, листьев, стеблей, появляются лишние лепестки. Электромагнитные поля воздействуют, прежде всего, на нервную систему человека. Электромагнитные поля напряженностью свыше 1000 В/м вызывают головные боли, быструю утомляемость. Относительно низкоэнергетические неионизирующие электромагнитные поля (ЭМП) способны изменять структуру некоторых биомолекул, влияя таким образом на течение различных физиологических процессов. Первоначально незначительные изменения затем усиливаются каскадом биохимический реакций, что приводит к заметным биологическим эффектам. Экспериментальными работами последних лет выявлены факты разнообразного влияния ЭМП промышленных частот (50-60 Гц) на биологические системы. При этом действие ЭМП прослеживалось на молекулярном, клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях. Постоянные магнитные или низкочастотные ЭМП в состоянии влиять на кровообращение у животных (магнитодинамический эффект), работу сердца, нервную систему (скорость проведения нервного импульса), зрение, поведенческие реакции, рост и регенерацию костей, эмбриогенез. Радиационное загрязнение. В природе существует радиационный фон, обусловленный рассеянной радиоактивностью земной коры, проникающим космическим излучением, биогенными радионуклидами, который в настоящее время повышен техногенными источниками радиоактивности до 12 – 14 мкР/ч при среднегодовой эффективной экспозиционной дозе в 2,5 мЗв. Эту прибавку обусловили технические источники проникающей радиации (медицинская диагностическая и терапевтическая аппаратура, радиационная дефектоскопия, источники сигнальной индикации; извлекаемые из недр минералы, топливо и вода; ядерные реакции в энергетике и ядерно-топливном цикле; испытания и применение ядерного оружия. Деятельность человека в несколько раз увеличила число присутствующих в среде радионуклидов и на несколько порядков – их массу на поверхности планеты. Главную опасность представляют запасы ядерного оружия, топлива, радиоактивные осадки, которые образовались в результате ядерных взрывов или аварий и утечек в ядерно-топливном цикле – от добычи до обогащения 25 урановой руды до захоронения отходов. США, СССР, Англия, Франция и Китай произвели в надземном пространстве более 400 ядерных взрывов. В атмосферу поступила большая масса сотен различных радионуклидов, которые выпали на всей поверхности планеты. Ядерные катастрофы удвоили их количество. Долгоживущие радиоизотопы (углерод-14, цезий-137, стронций-90) и сегодня продолжают излучать, создавая 2% добавку в фону радиации. Пока еще трудно говорить о влиянии техногенного превышения естественного фона радиации на биоту экосферы. В России самое крупное из известных скоплений радионуклидов находится на Урале. Деятельность ПО «Маяк» привела к загрязнению Челябинской, Свердловской, Курганской, Тюменской областей. Радиоактивным вюбросом Чернобыльской АЭС в разной степени загрязнено 80% территории Белоруссии, северная часть Правобережной Украины, 19 областей России. Следы чернобыльских радиоактивных выбросов обнаружены в большинстве стран Европы, а также Японии, на Филиппинах, в Канаде. Точных данных о количестве облученных и полученных дозах нет. Одна из наиболее острых экологических проблем в стране – проблема радиоактивных отходов. Наиболее сложная технологическая стадия ядерного топливного цикла – переработка отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и захоронение радиоактивных отходов. Такова природа живого, что каждый биологический объект состоит не только из вещества, но и из волнового поля, неразрывно связанного с веществом. Это определяет исключительную роль информационноэнергетической оболочки, окружающей человека. В ходе эволюции человеческий организм приспособился к определенному спектру внешних излучений - магнитное поле Земли, инфракрасное солнечное излучение, видимая цветовая гамма и другие полевые воздействия космического и земного происхождения. Техногенное вторжение привело к деформации полевой среды – слабое магнитное поле Земли не пробивается сквозь электромагнитные поля, создаваемые промышленными источниками; инфракрасный спектр Солнца отражается от мелкодисперсных антропогенных частиц; существенно искажены космические волновые процессы. В результате вносятся искажения в индивидуальную информационно-энергетическую оболочку человека. 26 Считают, что все изменения в работе организма (негативные или позитивные) начинаются в волновой индивидуальной оболочке, откуда информация о них передается материальному телу, воздействуя и изменяя его. Поэтому в настоящее время все виды физического воздействия на биосферу и на человека рассматривают как фактор особой экологической значимости. Физико-химическое загрязнение Все многообразие физических и химических загрязнителей можно сгруппировать по типу действия на живые организмы. Но зачастую действие одного и того же загрязнителя на организм зависит от его агрегатного состояния: жидкого, газообразного, твердого или дисперсного. Среди современных экологических проблем особое место уделяется аэрозолям. Формой физико-химического загрязнения является аэрозольное загрязнение, таким образом, физико-химическое загрязнение обусловлено веществами, находящимися в состоянии – аэрозолей – взвешенными в воздухе мельчайшими твердыми и жидкими частицами. Размеры аэрозольных частиц колеблются от 0,01 мкм до 1000 мкм. Аэрозоли бывают природного и антропогенного происхождения. Природными источниками являются вулканы, гейзеры, пыльные бури, лесные пожары. Антропогенное загрязнение окружающей среды аэрозолями началось с использования в качестве горючего каменного угля и другого органического горючего топлива. Сегодня аэрозоли используются в медицине (ингаляции), технике (порошковая металлургия), сельском хозяйстве (распыление пестицидов), военном деле (маскирующие и сигнальные дымы и туманы), быту (дезодоранты, лаки, краски, дезинфицирующие средства). Влияние аэрозолей на здоровье человека и окружающую среду заметили давно. Пыльная атмосфера снижает количество солнечной энергии, снижая температуру в нижних слоях. Запыленность листьев ограничивает процесс газообмена, тормозит скорость реакции фотосинтеза, снижает урожай. Пылевые частицы могут быть токсичными; это взвешенные частицы пестицидов, удобрений, лака, краски. Заводы по производству БВК, выбрасывая белковую пыль, приводят к заболеваниям астмой в результате наступления бронхоспазмов. 27 Основной продукт сгорания каменного угля, нефти – сажа, не является токсичной. Сажа становится опасным загрязнителем среды, адсорбируя содержащиеся в воздухе загрязнители, прежде всего ПАУ (полициклические ароматические углеводороды). Аэрозоли способствуют формированию смогов. Влажный смог (лондонского типа) формируется при сочетании пыли, тумана (аэрозольных частиц воды в воздухе) и диоксида серы. Фотохимический смог (лосанжелесского типа) формируется из частиц пыли, аэрозольных частиц углеводородов и оксидами азота автомобильных выхлопов, которые под действием ультрафиолетовых лучей в фотохимических реакциях образуют озон. Он действует как сильный окислитель-токсикант. Ледяной (аляскинский) смог состоит из частиц пыли, газообразных загрязнителей, адсорбированных на аэрозольных частицах кристаллов льда (изморози). Образованию смога благоприятствует солнечная радиация, малая скорость ветра, температурная инверсия плохо вентилируемая местность (например, котловина). Биологическое загрязнение Биологическое загрязнение связано с внесением в среду продуктов жизнедеятельности живых существ, с разложением мертвых тел; загрязнителем также считается биологический вид, увеличивающий свою численность за пределы популяционной волны. Загрязнители различной природы существовали еще до появления человека; вот почему все ныне живущие растительные и животные организмы и их сообщества имеют к ним устойчивость. Любое изменение среды, независимо от вида загрязнения, вызывает реакции адаптации у отдельных организмов и их сообществ. Связанное с экологическим кризисом нарушение равновесия в природных системах увеличивает вероятность вспышки численности отдельных видов, среди которых есть вредные для человека. Возрастает опасность нарушения границ ареалов обитания животных, в том числе и переносчиков возбудителей заболевания. В Сибири существуют устойчивые природные очаги возбудителей клещевого энцефалита, риккетсиозов, туляремии, орнитозов, токсоплазмоза, бешенства. Континентальный климат отложил отпечаток на видовой состав, 28 численность и распределение переносчиков возбудителей этих заболеваний. Ареалы их обитания были разорваны, и заражение людей наблюдалось редко. Но увеличение масштабов освоения территории привело к нарушению границ природных очагов инфекции. Все чаще регистрируются случаи заражения, например, энцефалитом даже в городской черте. Опасным источником биологических загрязнений являются бытовые отходы. В городских сточных водах число возбудителей болезней: дизентерии, паратифа, туберкулеза, полиомиелита, гепатита, гельминтных инвазий, грибковых инфекций непредсказуемо велико. С ростом свалок мусора увеличивается процент инфекционных заболеваний населения. На заболеваемость населения влияют и климатические условия: дискомфортные на севере и умеренно дискомфортные в средней полосе с длительным зимним периодом и резкими колебаниями суточных температур. В Сибири процент заболеваемости населения на 25% превышает аналогичные показатели в Европейской части страны. Сибирская язва – опасная инфекция, передаваемая человеку от домашнего скота (коров, лошадей, овец, свиней) непосредственно или через кровососущих насекомых; болеть могут кошки и собаки. Возбудитель – неподвижная бактерия, палочка; в воде и почве ее споры могут сохраняться в жизнеспособном состоянии в течение десятилетий. От домашних животных заражаются хищники. Болезнь животного длится 2-3 дня и заканчивается гибелью. Кровь трупа не свертывается и вытекает через все отверстия. Трупы больных животных положено сжигать, а почву тщательно дезинфицировать. Домашним животным положено делать прививки, предохраняющие от заражения. Тщательный санитарный надзор над сельскохозяйственной продукцией помогает предотвратить эпидемию. Туляремия – природно-очаговое заболевание; возбудитель – бактерия, термически не устойчивая. Туляремией болеют мыши, хомяки, кролики, зайцы; заболевание заканчивается смертью животного. Заражение человека происходит при соприкосновении с больными животными, через зерно, солому, при вдыхании пыли с бактериями с мест содержания. Заражение может произойти и при купании в водоемах, употреблении некипяченой воды, недостаточно прожаренного мяса кроликов и зайцев, при укусах насекомых, переносящих туляремию от больного животного к человеку. От человека к человеку заболевание не передается. Болезнь протекает при высокой температуре, лихорадке, воспалением лимфатических 29 узлов. Профилактика заключается в защите продуктов питания и питьевой воды от загрязнения, обеззараживании воды. Токсоплазмоз – природно очаговое заболевание; возбудитель – простейшее, токсоплазма. Быстро гибнет при высушивании, от солнечного света, при нагревании. Токсоплазмозом в дикой природе болеют олени, лисицы, белки, зайцы, которые могут заразить домашних животных (кошки, кролики) и домашний скот. Заражение человека происходит при недостаточной термической обработке продуктов, содержащих возбудитель (мяса, молока, яиц); с частицами почвы, загрязненных фекалиями больных животных, через шерсть кошек и собак, с грязными руками. Заболевание характеризуется высокой температурой и поражением многих органов – мозга, глаз, селезенки, лимфатических узлов, печени. Профилактика заключается в своевременном выявлении больных животных и их изоляции, периодическом осмотре кошек и других домашних животных, мытье рук после обращения с животными; термической обработке продуктов. Орнитоз – природноочаговая инфекция, возбудителем является вирус. Орнитозом болеют утки, куры, попугаи, щеглы, канарейки, голуби и др. Заболевшие птицы становятся малоподвижными, со взъерошенным оперением, из глаз и носовых отверстий вытекает жидкость. Как правило, птица погибает. Заражение человека происходит через воздух и грязные руки. Болезнь протекает тяжело, сопровождается воспалением легких. Риккетсиозы – инфекционные болезни, вызываемые риккетсиями – особой группой, занимающей промежуточное положение между бактериями и вирусами. Они, подобно вирусам, являются внутриклеточными паразитами; по размерам близки к бактериям. Свое название получили по имени американского биолога, Риккеттса, впервые обнаружившего их в 1909 г. В настоящее время известно 70 разновидностей их. Ку – лихорадка, возбудитель – риккетсия, высоко устойчивая к факторам среды, в засоленном мясе может сохраняться до 3-х месяцев. При кипячении гибнет только спустя 10 минут. Источники заражения – дикие и домашние животные, птицы. Переносчиками являются кровососущие насекомые, заражение человека вероятно с пылью от шерсти, от сена, а также при употреблении некипяченого молока, купания в загрязненных водоемах. Болезнь протекает при высокой температуре, сопровождается лихорадкой и 30 воспалением легких. Профилактика заключается в обязательной вакцинации населения в природных очагах инфекции. Иерсиниозы – общие для человека и животных инфекционные заболевания, подразделяются на два вида – собственно иерсиниоз и псевдотуберкулез. Имея практически одинаковый инкубационный период – от 1до 3 дней, их клинические проявления различаются незначительно. Но при иерсиниозе происходит поражение желудочно-кишечного тракта, при псевдотуберкулезе – поражения в области шейных, реже подчелюстных узлов. Начало заболевания, как правило, острое. Причина заражения – пищевые продукты, в которых находятся быстроразмножающиеся бактерии. В первую очередь – это овощи, употребляемые в сыром виде; молоко, мясные продукты, птица, приготовленные с нарушением кулинарной технологии. Наиболее благоприятная температура размножения 25–29 Со. Для предотвращения инфекционной угрозы – наряду с усилением контроля за санитарно-гигиеническими условиями в комплексе профилактических мероприятий должно быть создание условий для хранения овощей. Типовые и приспособленные хранилища должны быть подготовлены к приему нового урожая: очищены, просушены, продезинфицированы. Обязательное условие – проведение дератизации (уничтожение грызунов – носителей микробов). Бешенство – природноочаговая инфекция. Возбудитель – вирус; его носителем в природе являются волки, лисицы, шакалы. Они заражают бездомных кошек и собак. Заболевшее животное становится агрессивным, страдает слюнотечением, отказывается от пищи, глотает несъедобные предметы; болезнь заканчивается гибелью животного. К сожалению, слюна становится заразной за8-10 дней до появления первых признаков бешенства. У заболевшего человека появляется бессонница, беспричинный страх, светобоязнь, водобоязнь, параличи; возможна смерть. Скрытый период может длиться до нескольких лет; затем в месте укуса появляется зуд, рубец воспаляется, без лечения возможны необратимые физиологические процессы. Поэтому при укусах животных необходимо срочно обратиться к врачу, даже если животное внешне казалось здоровым. Информационное загрязнение 31 Под информационным загрязнением среды понимают качественное и количественное изменение информационных потоков между элементами системы, сопровождающееся нарушением ее устойчивости. Материальными носителями информации могут быть физические факторы (электромагнитные, акустические, потоки элементарных частиц, химические соединения, поведение животных. В любом случае в материальном носителе закодировано сообщение, сигнал; объем этого сообщения и его биологическая или социальная ценность не зависит от материального носителя. Источником информационного загрязнения являются природные и антропогенные процессы. Учитывая огромную роль информационных отношений в природе, все загрязнители среды должны рассматриваться не только с точки зрения их токсичности, но и возможности нарушения сигнальных отношений в экосистемах. Все развитие человеческой цивилизации – результат освоения и переработки информации, получаемой обществом из окружающей среды, а затем накапливаемой в виде культурного и научного наследия. Однако на рубеже ХХ – ХХI веков человек испытывает дефицит информации о природе; он не может надежно предсказать последствия своей хозяйственной деятельности для биосферы. Для полноты сведений необходим объем информации, намного превышающий сумму экономических и технических знаний, накопленных цивилизацией. Переход человечества к качественно новому состоянию – управляемого развития – требует дальнейшего роста информации о природе. Большая роль в устранении острого дефицита сведений о природе принадлежит процессу интеграции знаний естественных, технических и гуманитарных наук, созданию синтетических теорий, крупных научных обобщений. Тепловое загрязнение 32 Накопление загрязняющих веществ в пищевых цепях В.И.Вернадский определил биосферу как область планеты, в которой эволюционно во взаимосвязи с другими компонентами природной среды развивается и накапливается живое вещество. Биосфера приурочена в внешним оболочкам планеты, она включает нижнюю часть атмосферы (тропосферу) до высоты 20 км, охватывает практически всю гидросферу и верхнюю часть литосферы на глубину до 7 км. Живое вещество (совокупность живых организмов), трансформируя солнечную энергию, вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот, является при этом мощным геологическимфактором, изменяя состав атмосферы и гидросферы, обеспечивая стабильность состава и качество этих сред. Биосфера – живая, развивающаяся, саморегулирующаяся система, которая находится в состоянии равновесия, используя энергию солнца, природные ресурсы. Существование и развитие биосферы обеспечивают также процессы в почвенном слое с его микрофлорой, фотосинтезом. Всю совокупность организмов на планете В.И. Вернадский назвал живым веществом, рассматривая в качестве основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию. В состав биосферы кроме живого вещества (растительного, животного и микроорганизмов) входят биогенное вещество (продукты жизнедеятельности живых организмов – каменный уголь, битумы, нефть), биокосное вещество – продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами – почвы; кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности живого вещества и, наконец, косное вещество – совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых, живые организмы не 33 участвуют (горные породы магматического, происхождения, вода, космическая пыль, метеориты). неорганического Следовательно, биосфера – это та область Земли, которая охвачена влиянием живого вещества. С современных позиций биосферу рассматривают как наиболее крупную, глобальную экосистему, поддерживающую планетарный круговорот веществ. Современная жизнь распространена в верхней части земной коры (литосфере), в нижних слоях воздушной оболочки Земли (атмосфере) и в водной оболочке Земли (гидросфере). Концентрация и активность жизни особенно велики у поверхности Земли. Водоемы заселены по всей толще, со сгущениями у поверхности и у дна. Выделяются своим богатством прибрежные и мелководные участки. На суше более 90% живого вещества, или биомассы, сосредоточено в слое на несколько метров вглубь и на несколько десятков метро (высокое дерево) вверх от поверхности. Следовательно, жизнь сосредоточена в тончайшей пленке планеты, где и протекают главные процессы взаимодействия живой и неживой (косной) природы. Этот тонкий деятельный слой нередко называют биогеосферой, биогеоценотическим покровом, ландшафтной оболочкой. Места наибольшей концентрации организмов в биосфере В.И. Вернадский назвал «пленками жизни». Чтобы на Земле не прекращалось развитие жизни, должны происходить непрерывные химические превращения ее живого вещества. Иными словами, вещества после использования одними организмами должны переходить в усвояемую для других организмов форму. Такая циклическая миграция веществ и химических элементов может осуществляться только при определенных затратах энергии, источником которой является Солнце. Академик В.Р. Вильямс указывал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного – это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, т.е. вовлечь его в круговорот. Круговорот веществ – это многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере, литосфере, в их слоях, которые входят в биосферу планеты. При этом выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биогенный и биохимический). Большой круговорот длится сотни миллионов лет. Горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворимые в воде питательные вещества, сносятся потоками воды в 34 Мировой океан. Здесь они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками, с извлеченными человеком из воды организмами. Крупные, но медленно протекающие геотектонические изменения (опускание материков и поднятие морского дна, перемещение морей и океанов) приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс повторяется. Границы геологического круговорота значительно шире границ биосферы, его амплитуда захватывает слои земной коры далеко за пределами биосферы. И, самое главное, − в процессах указанного круговорота живые организмы играют второстепенную роль. Напротив, биологический круговорот вещества проходит в границах обитаемой биосферы и воплощает в себе уникальные свойства живого вещества планеты. Будучи частью большого, малый круговорот осуществляется на уровне биогеоценоза, он заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углекислый газ под действием ультрафиолетовой части спектра солнечного излучения синтезируют органическое вещество растений, которое потребляется консументами. Продукты разложения органического вещества почвенной микрофлорой и мезофауной (бактерии, грибы, моллюски, черви, насекомые, простейшие) вновь разлагаются до минеральных компонентов, опять-таки доступных растениям и поэтому вновь вовлекаемых ими в поток вещества. Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием энергии Солнца и химических реакций называется биогеохимическим циклом. Его часто называют большим биосферным кругом, имея в виду безостановочный планетарный процесс перераспределения вещества, энергии и информации, многократно входящих в непрерывно обновляющиеся экологические системы биосферы. Биогеохимические круговороты в биосфере подразделяют на: 1) круговорот газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере или гидросфере (азота, кислорода, диоксида углерода, водяных паров) и 2) круговорот осадочного типа с менее обширными резервуарами в земной коре (фосфора, кальция, железа). Круговорот воды. Постоянный перенос воды происходит с одного места в другое в масштабе всей планеты, главным образом между океаном и сушей. Он осуществляется в основном непосредственно за счет энергии Солнца, однако живые организмы оказывают на него важное регулирующее воздействие. В процессе переноса воды часто происходит изменение 35 агрегатного состояния последней (превращение жидкой воды в твердую, парообразную и наоборот), что позволяет поддерживать равновесие между суммарным испарением и выпадением осадков на планете. Испаряясь, вода с содержащимися в ней некоторыми веществами воздушными течениями переносится на тысячи километров. Выпадая в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делает их минералы доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний слой, после чего уходит вместе с растворенными частицами в океаны и моря. Подсчитано, что с поверхности Земли только за 1 минуту испаряется около одного миллиарда тонн воды и столько же выпадает обратно в виде осадков. Общий объем воды, поступающей из атмосферы на поверхность Земли, составляет за год около 500 тыс. км³ и таково же количество испаряющей воды. При этом на континентах выпадает за год 109 тыс. км³, а испаряется 72 тыс. км ³. Разница в 37 тыс. км³ и есть значение полного поверхностного речного стока. Круговорот углерода гораздо в большей степени, чем круговорот воды, зависит от деятельности живых организмов. Диоксид углерода атмосферы ассимилируется наземными растениями в ходе фотосинтеза и включается в состав органических веществ. В процессе дыхания растений, животных и микроорганизмов углерод, содержащийся в организме, вновь переходит в атмосферу в виде СО2. Эти два процесса полностью уравновешены: лишь около 1% углерода, усвоенного растениями, откладывается в виде торфа и удаляется из круговорота. Удивительный факт: всего за 7 – 8 лет живые организмы пропускают через свои тела весь углерод, содержащийся в атмосфере. Подсчитано, что все зеленые растения Земли ежегодно извлекают из атмосферы до 300 млрд т диоксида углерода (86 млрд т углерода). При этом годичный круговорот массы углерода на суше определяется как массой составляющих его звеньев биосферы, так количеством углерода, захватываемого каждым звеном. Круговорот кислорода является планетарным процессом, связывающим атмосферу и гидросферу с земной корой. Основными узловыми звеньями его являются: образование свободного кислорода при фотосинтезе, последующие затраты на дыхание, протекание реакций окисления органических остатков и неорганических веществ (например, сжигание топлива) и других химических преобразований. Они способствуют образованию таких окислительных соединений, как диоксид углерода, вода, 36 после чего указанные вещества вовлекаются в новый цикл фотосинтетических превращений. Подсчитано, что весь кислород атмосферы проходит через живое вещество Земли за 2 тысячи лет. Круговорот кислорода есть ярко выраженная активная геохимическая деятельность живого вещества, его ведущая роль в этом циклическом процессе. Ежегодное продуцирование кислорода земной растительность 9 планеты составляет около 300 10 т. При этом почти 3/4 этого количества выделяется растительностью суши и лишь немногим более четверти – фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Помимо вышеупомянутых основных элементов, которые принимают участие в биологическом круговороте веществ, важную роль играют также азот, калий, фосфор, сера, натрий и некоторые другие элементы, входящие в состав питания растений. В той или иной степени все элементы таблицы Д.И. Менделеева вовлечены в биологический круговорот. Все природные среды находятся в тесном взаимодействии: Атмосферные процессы способствуют круговороту воды в природе, переносу, рассеиванию и осаждению загрязнителей, поступающих в водные объекты и на литосферу, разрушению горных пород, формированию и эрозии почвенного слоя, определяют динамику гидросферы; Литосфера определяет распределение водной среды по поверхности планеты, характер водостоков; она вмещает большое количество воды в толще грунтов, изменяя ее состав. Геологические процессы оказывают значительное воздействие на состав атмосферы, его стабильность, особенно, в результате вулканической деятельности; Экологическое значение почвы заключается в том, что она осуществляет связь живой и неживой природы, а также связь трех основных природных сред – атмосферного воздуха, вод, литосферы. Почвенный покров осуществляет таким путем биохимический круговорот веществ – минерализация органических веществ, аккумуляция и распределение энергии, прошедшей через фотосинтез растений, формирование стока речных вод, химического состава суши; 37 Рельеф местности, образуемый системой равнинных участков поверхности земли, возвышенностей, впадин природного и антропогенного происхождения, определяет условия перемещения воздушных потоков в атмосфере, рассеивания вредных выбросов в атмосфере в зоне радиусом до 50 высот наиболее высокой дымовой трубы (но не менее 2 км). Природные среды в их взаимодействии формируют условия развития и существования биосферы, которая осуществляет при этом активное воздействие на природные среды – состав атмосферы, состояние и распределение водных ресурсов, изменение геологического облика планеты. Существование окружающей природной среды возможно и реализуется только в состоянии динамического равновесия. Оно обеспечивается комплексом естественных циклов – круговорота воды (гидрологический цикл), элементный круговорота (азот, углерод, кислород) и др. При этом устойчивость природных сред, биологических структур определяется замкнутостью таких циклов не только в планетарном масштабе, но также в пределах отдельных регионов, локальных зон. Так, выработка лесов на водосборной территории разрушает одно из звеньев гидрологического цикла и ведет к необратимой деградации водного объекта. . Цикличные потоки вещества и энергии в природных средах и между ними охватывают биологические структуры. В ходе цикличных процессов осуществляют переход от неорганических к органическим и живым формам, которые снова превращаются в неорганические. Таким образом, формируется единая система – окружающая природная среда, которая в силу многообразия структур, свойств, явлений, развитости, внутренних и внешних связей оценивается в рамках системного анализа как большая система. Подобные системы обладают способностью к саморегулированию, формирование их осуществляется путем структурного преобразования, включения различных новых компонентов, отторжением отдельных компонентов, развитием внутренних и внешних связей до такого состояния, при котором обеспечивается их устойчивое динамическое равновесие. Загрязнение атмосферы 38 Значительная часть загрязняющих веществ атмосферы вступает в химическое взаимодействие. Реагируя с водой, многие из них образуют кислоты, которые выпадают в виде осадков, вызывая закисление почв и природных вод. Капли кислот в воздухе ускоряют процессы коррозии: в промышленных районах металл ржавеет в 20 раз быстрее, чем в сельской местности. На долю трех видов загрязнителей – пыли, оксидов углерода и серы приходится 80% загрязнения. Дым, пыль и газы конвективными потоками воздуха поднимаются на разную высот. В зависимости от протекающих в данный момент в атмосфере климатических и метеорологических процессов загрязняющие вещества или остаются в непосредственной близости от мест выброса, или выносятся за их пределы и рассеиваются. Так, над всем Северным полушарием располагается стабильная зона повышенной концентрации диоксида серы, превышающей фоновую на востоке США, в Центральной и Восточной Европе в 10 – 15 раз. Таблица 1 Основные вещества, загрязняющие атмосферу Природа загрязнения Источник загрязнения Углекислый газ Газы Вулканическая деятельность Дыхание живых организмов Сжигание ископаемого топлива Оксид углерода Вулканическая деятельность Работа двигателей внутреннего сгорания Углеводороды Растения, бактерии Работа двигателей внутреннего сгорания Органические соединения Химическая промышленность Сжигание отходов Сжигание топлива 39 Сернистый газ и другие производные серы Вулканическая деятельность Морские бризы Бактерии Сжигание ископаемого топлива Оксиды азота, аммиак Бактерии Горение Радиоактивные вещества Атомные электростанции Ядерные взрывы Тяжелые металлы, Минеральные соединения Органические вещества естественные и синтетические Частицы Вулканическая деятельность, космическая пыль Ветровая эрозия, водяная пыль Промышленное производство Работа двигателей внутреннего сгорания Лесные пожары Химическая промышленность Сжигание топлива Сжигание отходов Сельское хозяйство (пестициды) Одним из проявлений трансформации загрязнителей в атмосфере является агрегирование (слипание) мелких частиц, аэрозолей с образованием крупных устойчивых конгломератов. Основная часть пыли техногенного происхождения находится в приземном слое воздуха, рассеиваясь на площади не более 0,4% суши. Количество пыли, оседающей в год на поверхность земли, достигает в крупных городах, промышленных центрах 300 т/км2. Антропогенные выбросы в атмосфере претерпевают различные химические превращения: фотолиз – фотохимические реакции при облучении солнечным светом; озонолиз – в реакциях с атмосферным озоном; гидролиз – при реакции с атмосферной влагой, паром; окисление – соединение с кислородом. Химические атмосферные процессы с участием различных загрязнителей включают первичные реакции окисления NO, SO2, 40 углеводородов с участием озона, гидроксильных радикалов и вторичные фотохимические реакции образования аэрозолей, кислот, озона. Схема основных газофазных первичных и вторичных преобразований оксидов азота в нижних слоях атмосферы представлена на рис. 1. Кислотные осадки Твердофазные выпадения NO нитраты HNO 3 NH3 OH NO 2 накопление в атмосфере O3 O 2 ,hv Рис. 1. Схема основных первичных и вторичных преобразований оксидов азота в атмосфере. Первичная реакция взаимодействия оксида азота с озоном NO + O3 NO2 + O2 дает толчок к множеству вторичных реакций, в том числе и кругового преобразования с повторным воспроизводством оксида азота и озона: NO2 + hv + О2 NO + О3 и нитратов – твердых продуктов взаимодействия азотной кислоты с аммиаком NH3 и другими соединениями. Избыточное количество озона, образующееся в каждом цикле преобразования молекулы оксида азота, выводится из цикла, способствуя накоплению озона в атмосфере. Значительную роль в формировании уровня и характера загрязнения воздушного бассейна играет конверсия S02 в атмосфере с образованием 41 аэрозолей: фотохимическое аэрозольных частиц: окисление с образованием сульфатных 2SO2 + O2 + hv 2SO2 растворение диоксида серы в каплях атмосферной влаги с образованием сернистой кислоты Н2S0з и окисление сернистой кислоты кислородом, содержащимся в каплях: 2H2SO3 + О2 2H2SO4 Образующиеся частицы состоят из твердых сульфатов и серной кислоты в виде тумана. Образовавшиеся аэрозоли частично выводятся из атмосферы осадками и туманами, они взаимодействуют с газообразными примесями, подвергаются коагуляции. В атмосфере при контакте с влагой диоксиды азота и серы образуют соответствующие кислоты. В летний период при интенсивном солнечном облучении скорость превращения диоксида азота в кислоту весьма велика 50% диоксида азота переходит в кислоту. Вследствие высокой растворимости в воде и сорбции на увлажненной поверхности твердых частиц азотная кислота быстро выпадает на землю. В отличие от оксидов азота, диоксид серы, прежде чем полностью превратится в сульфат-анион, может переноситься с массами воздуха на большие расстояния, ареал рассеивания его значительно больше. Образующиеся кислоты выводятся из атмосферы с осадками – «кислотными» дождями. Кислотность осадков доходит до рН = 1,5. Продукты трансформации диоксида серы в атмосфере в виде осадков выпадают на поверхность литосферы (около 50%), гидросферы (около 30%), поглощаются растениями (около 20%). 42 Состав воздуха (на высоте уровня моря) Газы Объемное содержание, % Массовое содержание, % Азот 78,01 75,53 Аргон 0,93 1,28 Гелий 5,24 10-4 7,2410-5 Оксиды азота 510-5 7,610-5 Кислород 20,95 23,14 Криптон 1.1410-4 3,310-4 Метан 1,410-4 7,7510-5 Неон 1,810-3 1,2510-3 Углекислый газ 0,032 0,046 Содержание пылевых природных и антропогенных частиц в атмосферном воздухе составляет от 0,02 мг/м3 (чистый воздух) до 2,5–3,0 мг/м3 в городах и свыше 100 мг/м3 в промышленной зоне. Отмечается присутствие в атмосфере оксидов азота, в основном, природного происхождения (при воздействии молний, биологического окисления). Доля оксидов азота техногенного происхождения не превышает 10%. Однако высокая степень концентрации источников промышленных выбросов оксидов азота вблизи городов приводит к тому, что в локальных зонах их влияние является определяющим. 43 Химический состав атмосферы постоянно изменяется. Однако изменения некоторых составляющих (диоксид углерода, пыль, озон) могут существенно изменять климат планеты, условия существования биосферы. Атмосфера служит транзитной средой для распространения космических воздействий, солнечной радиации (инфракрасное, ультрафиолетовое излучение, видимая часть спектра – световое излучение), а также рентгеновского, гамма-излучения. При наличии инверсии температур воздуха вертикальная циркуляция воздушных масс ограничивается, изменяются условия теплового подъема выбросов в атмосферу через газоотводящие трубы. Инверсионный слой воздуха, в пределах которого наблюдается указанное изменение температуры, характеризуется мощностью (толщиной), положением относительно поверхности земли, а также величиной градиента температуры по высоте. Инверсионный слой воздуха может непосредственно примыкать нижней границей к поверхности земли. Мощность инверсии составляет от нескольких десятков до сотен метров при перепаде температур по высоте инверсионного слоя до 10–15°С и выше. Длительность инверсионного состояния атмосферы – от нескольких часов до 7–10 суток. Повторяемость инверсии наиболее значительна для северных районов страны. Поступление в атмосферу твердых и газообразных веществ антропогенного происхождения (табл. 1.4.) порождает разветвленные цепные процессы трансформации загрязнителей. При взаимодействии загрязнителей со сложным по составу атмосферным воздухом в различных условиях (инсоляция, температура, влага, запыленность) образуется большое количество вторичных токсичных веществ, нередко более опасных, чем первичные загрязнители (диоксид азота, диоксид серы, углеводороды и др.). (табл. 1.5.). Выделяется ряд физических процессов преобразования загрязнителей, их перехода в другие природные среды: молекулярная диффузия, возникающая при градиенте концентрации; взаимодействие загрязнителей с частицами воды (сорбция, захват аэрозольных частиц, вымывание – захват вещества падающими частицами каплями воды); осаждение под действием гравитации. Таблица 1.4. 44 Основные вещества, загрязняющие атмосферу Природа загрязнения Источник загрязнения Углекислый газ Газы Вулканическая деятельность Дыхание живых организмов Сжигание ископаемого топлива Оксид углерода Вулканическая деятельность Работа двигателей внутреннего сгорания Углеводороды Растения, бактерии Работа двигателей внутреннего сгорания Органические соединения Химическая промышленность Сжигание отходов Сжигание топлива Сернистый газ и другие производные серы Вулканическая деятельность Морские бризы Бактерии Сжигание ископаемого топлива Производные азота Бактерии Горение Радиоактивные вещества Атомные электростанции Ядерные взрывы Тяжелые металлы, Минеральные соединения Частицы Вулканическая деятельность, космическая пыль Ветровая эрозия, водяная пыль Промышленное производство Работа 45 двигателей внутреннего сгорания Органические вещества естественные и синтетические Лесные пожары Химическая промышленность Сжигание топлива Сжигание отходов Сельское хозяйство (пестициды) Одним из проявлений трансформации загрязнителей в атмосфере является агрегатирование (слипание) мелких частиц, аэрозолей с образованием крупных устойчивых конгломератов. Основная часть пылей техногенного происхождения находится в приземном слое воздуха, рассеиваясь на площади не более 0,4% суши. Количество пыли, оседающей в год на поверхность земли, достигает в крупных городах, промышленных центрах 300 т/км2. Специфический характер перемещения загрязнителей складывается при явлениях сверхдальнего переноса, когда твердые частицы, аэрозоли, капли кислот переносятся на многие сотни, тысячи километров (трансграничный, трансконтинентальный). Антропогенные выбросы претерпевают различные химические превращения: фотолиз–фотохимические реакции при облучении солнечным светом; озонолиз – в реакциях с атмосферным озоном; гидролиз – при реакции с атмосферной влагой, паром; окисление– соединение с кислородом. Потенциал самоочищения атмосферы зависит от условий рассеивания вредных веществ и соответствующего метеорологического потенциала – прежде всего ветрового режима. Хорошо «проветриваемая» территория даже при больших техногенных нагрузках сохраняет сравнительно благоприятные санитарно-гигиенические условия. При плохой вентиляции местности санитарные условия оказываются неблагоприятными и при небольших выбросах, особенно при температурной инверсии. Характер экологической ситуации формируется в результате определенного соотношения атмосферных процессов и параметров техногенных выбросов. Важнейшим параметром атмосферы, влияющим на экологическую ситуацию, является потенциал рассеивающей способности атмосферы – метеорологический потенциал атмосферы МПА, 46 характеризующий самоочищению. способность атмосферы 47 в данной местности к Антропогенные воздействия на литосферу Литосфера (минеральная оболочка планеты) состоит из трех слоев осадочного (мощностью до 20 км), гранитного (10–40 км), базальтового (15– 30 км). Осадочный слой образован путем осаждения продуктов разрушения горных пород в водной среде и на суше с последующим уплотнением, цементацией (табл.1.2.). Определенная подвижность литосферы – прогибание земной коры – оказывает влияние на периодическое изменение уровня водоемов, формирование зон повышенного пластового давления с выталкиванием термальных водных рассолов к поверхности Таблица 1.2 Среднее содержание химических элементов в литосфере и почвах, % Элементы Литосфера Почва О 47,2 49,0 С (0,1) 2,0 Si 27,6 33,0 S 0,09 0,085 AI 8,8 7,13 Мn 0,09 0,085 Fe 5,1 3,8 P 0,08 0,08 Са 3,6 1,37 N 0,01 0,1 48 Элемент Литосфера ы Почва Na 2,64 0,63 К 2,6 1,36 Mg 2,1 0,6 Ti 0,6 Н (0,15) Сu 0,01 0,002 0,005 0,005 Со 0,003 0,0008 0,46 B 0,0003 0,001 ? Мо 0,0003 0,0003 Zn Основные химические загрязнители земной коры – тяжелые металлы,естициды, нефтепродукты, токсичные вещества, отвалы крупнотонныажных производств, отвалы ТЭК. Эти отходы оказывают локальное воздействие на литосферу. Отвалы горных пород содержат пирит, на воздухе самопроизвольно окисляющийся с образованием серной кислоты, после дождей возникают лужи серной кислоты вблизи горных выработок. Почвенный слой относится к невозобновляемым природным ресурсам, поскольку для образования почвы требуются сотни и тысячи лет. Почва – наружный слой земной коры, разрыхленный физическим и химическим выветриванием, образованный продуктами разрушения горных пород, растительности и живых организмов, обладающий плодородием. Процесс почвообразования связан с деятельностью микроорганизмов, воссоздающих из растительных остатков органическое вещество почвы, и является частью биологического круговорота веществ. Свойства почвы определяют само существование высших и низших растений, животных; жизненно необходимый обмен минеральными 49 веществами между биосферой и неорганическим («косным») миром происходит именно в почве. Основные свойства почвы как экологической среды– ее физическая структура, механический и химический состав, рН и окислительно-восстановительные условия, содержание органических веществ, водный, воздушный режимы. Различные сочетания этих свойств образуют множество разновидностей почв. Решающую роль в образовании почвы играют растения и комплекс почвенных организмов – эдафон, составляющий до 7% всей органики почвы. В его составе, например, в почве смешанного леса – около 50% бактерий, 25% грибов, 13% – червей, остальная микро-, мезо- и макрофауна (от микроклещей и личинок насекомых до млекопитающих) – 12%. Эдафон вместе с корнями растений участвует в образовании почвенного детрита – мертвого органического вещества. Детритофаги почвы – черви и личинки насекомых – поглощают вместе с растительными остатками и минеральные частицы почвы, т.е. по существу питаются землей. Они пропускают через свой пищеварительный тракт огромную массу почвы; на гектаре огородной земли дождевые черви перерабатывают таким образом до 50 тонн почвы в год. Они придают почве мелкокомковатую структуру, улучшая ее аэрацию и влагоемкость. Поскольку почва – рыхлое природное образование, она постоянно находится под угрозой нарушения (эрозии) под влиянием потоков воздуха и воды. Под влиянием природных процессов и хозяйственной деятельности происходит механическое разрушение (эрозия) и физико-химическое загрязнение почв. Ветровая эрозия (выдувание, перенос и отложение мельчайших почвенных частиц) характерна для бесструктурных почв, утративших растительный покров. Вырубка лесов нарушает устойчивость почвенного слоя, разрушение почвенного слоя связано также с использованием транспортных средств на слабых почвах. Ветровая эрозия приводит к сносу либо истощению почвенного плодородного слоя. Водная эрозия развивается интенсивно при нарушении правил землепользования с нарушением естественного рельефа местности; при этом водными потоками дождевых, талых вод смывается почвенный слой Почвенно-растительный покров служит регулятором водного режима местности. В то же время почвенный слой является биологическим поглотителем и нейтрализатором загрязнений, фильтрующей средой для природных и сточных техногенных вод. Загрязнение почв имеет долгосрочный характер и внешне мало заметно. Но именно в почвах 50 загрязняющие компоненты могут накапливаться в наибольших количествах, частично трансформироваться и существовать долго. Таблица 1.3. Возможные формы переходов (миграций) загрязнений между природными средами Природные среды Возможные формы перехода (миграции) загрязнения Атмосфера - атмосфера Перенос в атмосфере, характерный для большинства загрязнений. Осаждение (вымывание) атмосферных загрязнений на водную поверхность. Атмосфера – поверхность суши Осаждение (вымывание) атмосферных загрязнений на земную поверхность (на сушу). Атмосфера – биота Осаждение загрязнений на поверхность насаждений с последующей ассимиляцией (внекорневое поступление загрязнений в быту). Гидросфера – атмосфера Испарения из воды в атмосферу (например, нефтепродуктов, соединений ртути) Гидросфера – гидросфера Перенос (распространение) загрязнений в водных системах. 51 Гидросфера - поверхность суши Переход из воды в почву (фильтрация, (дно рек, озер) «самоочищение», осаждение на дно водоемов). Гидросфера - биота Переход из поверхностных вод в биоту (наземные и водные экосистемы, поступление в организм животных и человека с питьевой водой). Поверхность суши - гидросфера Смыв загрязнений с суши во время снеготаяния, с осадками, временными водотоками. Поверхность суши - поверхность суши Миграция в почве, ледниках, снежном покрове (проникновение, загрязнений на разные глубины). Поверхность суши - биота Корневые поступления загрязнений в растительность. Биота - атмосфера Испарения из биоты (малозначимы). Биота- гидросфера Попадание загрязнений из биоты в воду после гибели организмов. Биота - поверхность суши Попадание загрязнений из биоты в почву, главный образом после гибели организма. 52 Биота – биота Миграция по пищевым цепочкам. Установлено, что тяжелые металлы, выпавшие в составе техногенных выбросов на почву, прочно удерживаются и накапливаются в поверхностном слое, что является следствием прочности координационных связей ионов металлов с органическим веществом почвы; эти комплексные соединения оказывают более токсичное воздействие, нежели отдельные элементы в тех же дозах. Миграция их по профилю почвы ограничена. Подкисление почвы усиливает подвижность в почве высокотоксичных ионов тяжелых металлов (Mn, Cr, Cd, Pb, Zn, Ni, Co, Hd) и способствует накоплению в ней высокотоксичных ионов тяжелых металлов. Установлена классификация химических веществ антропогенного происхождения по степени опасности для состояния почв. Химические загрязнители подразделяют на три класса:– вещества высоко опасные (мышьяк, кадмий, ртуть, селен, свинец, цинк, фтор, бенз(а)пирен); умеренно опасные (бор, кобальт, никель, молибден, медь, сурьма, хром); мало опасные (барий, ванадий, вольфрам, марганец, стронций). Почва не является пассивным объектом техногенного воздействия. Населяющие ее организмы перерабатывают часть поступающих загрязнителей, обеспечивая самоочищение почвы. Однако возможности биологического самоочищения почвы ограничены и при чрезмерной техногенной нагрузке могут быть утрачены. Степень самоочищения почв определяется скоростью разложения органического вещества, интенсивностью вымывания и миграции растворимых и нерастворимых неорганических загрязнителей. Почвы различного механического состава, с различным содержанием гумуса обладают различным сопротивлением к процессам подкисления. Способность почв к самоочищению существенно различается для отдельных региональных и локальных природных систем. Так, скорость естественной утилизации и нефтепродуктов в почвенном слое в тундровой и степной зонах России различается более чем в 100 раз. Таблица 1.7. Подвижность микроэлементов в различных почвах 53 в зависимости от реакции почв Почвогеохими Степень подвижности элементов ческая ассоциация Практически неподвижны Почвы кислые, рН менее 5,5 Почвы слабокислые и нейтральные, рН 5,5-7,5 Слабоподвижны Подвижны РЬ2-*, Cr", NiM, Sr, Ba, Cu, Zn, V4-5, As3, Se3, Cd, Hg, S6 Co2-3 Мо4 РЬ Sr, Ва, Си, Cd, Zn, V5, As5, S6 Cr3-6, Ni2-3, Co2-3, Mo4, Hg Почвы щелочные и сильнощелочные, рН 7,5-9,5 РЬ, Ва, Со Zn, Ag, Sr, Cu, Cd Mo8, V6, As5,S6 Производственной деятельностью человека в той или иной мере охвачено уже все пространство планеты. Из 150 млн км2 площади суши на долю земель, пригодных для хозяйственного освоения и уже освоенных, приходится лишь около 60 млн км2; из них около 10 млн км2 заняты городами и другими поселениями, сооружениями, коммуникациями, полигонами, горными выработками, т.е. всецело, техногенными ландшафтами, исключающими на этих землях биосферную регуляцию. Остальные 15 млн км2 заняты агроценозами, пашней, т.е. также сильно измененными ландшафтами. Площадь пастбищ близка к 25 млн км2, следовательно, под прямым контролем человека находится около 50 млн км2. Эта площадь уже 54 превышает допустимый предел земельных ресурсов, подлежащих хозяйственному использованию, в том числе и для интенсивного земледелия. К середине ХХ века в странах сухих субтропиков резко ухудшилось продовольственное положение из-за быстрого роста населения и дефицита плодородной земли. Ситуация была преодолена с помощью комплекса мер, получивших название «зеленой революции»; ее слагаемыми были: внедрению новых сортов сельскохозяйственных растений, устойчивых к заболеваниям, внедрение новых агрохимических приемов и средств защиты растений, изменение экономической структуры сельского хозяйства. Мировое производство зерновых увеличилось, производство молока в Европе удвоилось, мяса – утроилось. Достижения «зеленой революции» оказались временными. Из-за экономического неравенства и неравномерности распределения продовольствия более 1 млрд человек в слаборазвитых странах питаются недостаточно, около 1 млрд человек хронически голодают. Одновременно с распашкой новых земель значительные площади пашни выбывают из хозяйственного использования из-за разных форм детериорации, т.е. порчи земли и даже значительные затраты на мелиорацию не могут остановить этот процесс. Основными причинами потерь земельных ресурсов сельского хозяйства являются: эрозия почвы; потеря гумуса и снижения плодородия; подтопление и вторичное засоление; машинная деградация почвы; химическое и радиационное загрязнение почвы. Одним из наиболее серьезных проявлений деградации земель является «техногенное опустынивание», вызванное деятельностью человека и изменениями климата. Большая территория современных пустынь имеет антропогенное происхождение. От деградации почвы уже пострадали 70% засушливых земель планеты; скорость опустынивания в мире сейчас достигла 10 млн га в год. Ежегодно еще 20 млн га теряют продуктивность из-за эрозии и наступления песков. Практически весь земельный фонд мира подвержен той или иной степени деградации. Общая площадь земельного фонда Российской Федерации составляет 17,1 млн км2; преобладающую часть территории страны занимают тайга, тундра и лесотундра, мало освоенные и практически непригодные для земледелия. 55 Загрязнение континентальных и океанических вод. Экологические последствия загрязнения гидросферы. Эвтрофирование. Зарегулирование стока рек. Истощение поверхностных и подземных вод. Конечной инстанцией природные воды. транспорта всех загрязнений являются На Земле не известна ни одна форма жизни, которая могла бы существовать без воды. 56 Загрязнение континентальных и океанических вод К настоящему времени проблема химического и биологического загрязнения окружающей среды приобрела глобальные масштабы, при этом конечной инстанцией транспорта всех загрязнений являются природные воды. В водные объекты попадают практически все загрязнители от любой производственной деятельности, что считается самой серьезной угрозой водным ресурсам. Положение усугубляется тем, что, несмотря на достаточно развитое водное законодательство, отсутствует эффективная система охраны качества воды в водоисточниках; современное состояние проблемы можно квалифицировать как «кризис водоохранных зон» (Гордин, 2006). По данным Госсанэпиднадзора нарушение норм качества воды в половине случаев обусловлено отсутствием зон санитарной охраны источников водоснабжения. Нагрузка на водные ресурсы в последние полвека возросла более чем в два раза. Суммарная масса загрязнителей гидросферы достигла 15 млрд т/год ( Крушенко 2002) среди которых поверхностно-активные вещества составляют 2500 млн т/год, пестициды 1200, минеральные удобрения – 80, тяжелые металлы – 3. Большую опасность представляют патогенные микроорганизмы (Марков, 2001). Качество воды в значительной мере определяет характер и уровень инфекционных и неинфекционных заболеваний, генетических болезней, и определяет особенности развития организма (Эльпинер, 2001). Таким образом, можно констатировать нарастание антропогенной нагрузки на водные ресурсы, что означает рост угрозы не только для водных экосистем, подвергающихся жесткому химико-биологическому прессу, но и для хозяйственно-питьевого водоснабжения (Долгоносов 2003). Серьезность проблемы качества пресной воды подчеркивается ее включением в список наиболее насущных проблем человечества (Global Environment 1999, Кондратьев, 2000; Данилов-Данильян и Лосев,2000, 2006; Данилов-Данильян,2005) В Российской Федерации усиление антропогенного 57 воздействия на водные источники также приводит к прогрессирующему ухудшению качества воды. В настоящее время только 1% поверхностных источников водоснабжения имеет 1 класс, т.е. не требуется специальной водоподготовки, тогда как в 17% качество воды не отвечает даже 3 классу. Резко возросло микробиологическое загрязнение водоемов – с 12,5% в 1991 г. до 22,8% в 1997 г. (Крушенко и др. 2002). В 20% проб воды присутствуют колифаги, что свидетельствует о вирусном загрязнении. На водопроводных станциях осуществляется регулярный микробиологичсекий контроль по группе показателей, включающих общие и термотолерантные колиформные бактерии, сульфатредуцирующие клостридии, общее микробное число, колифаги, фекальные стрептококки. В 1998 г. зарегистрировано отклонение от норматива в 75% проб воды по органо-лептическим, санитарно-гигиеническим и химическим показателям. Состояние водопроводов не отвечает санитарным нормам; в целом по стране нарушение санитарных норм в 1997 г. фиксировалось на 30,4% водопроводов (Роговец, 1998) Проблема рационального использования водных ресурсов при современном стремительном развитии производительных сил является первостепенной среди множества задач современного природопользования. Потребление воды на хозяйственно-бытовые нужды населения в общем объеме водопотребления невелико, но для современного уровня жизни имеет решающее значение. Например, более половины населения планеты пользуется питьевой водой, не отвечающей санитарно-гигиеническим требованиям, в то время как общеизвестно, что отсутствие чистой питьевой воды – одна из главных причин тяжелых инфекционных болезней. По данным ВОЗ более миллиарда человек на планете испытывают недостаток питьевой воды, около четверти миллиарда ежегодно умирают от употребления некачественной воды, и лишь 10% населения Земного шара удовлетворяют полностью свои потребности в воде. В развитых странах на одного человека приходится до 1 000 литров воды в сутки, в странах третьего мира – от 2 до 5 литров в сутки. 58 Сегодня в крупных городах расход воды в сутки на человека исчисляется объемом в тысячи литров. Водопотребление на одного человека на территории России и стран СНГ колеблется от 30…50 до 400 л/сутки и более. Во многих небольших городах и поселках удельное водопотребление составляет в 1,5…2,0 раза ниже, чем в больших городах. В Москве на одного человека расходуется 560 л/сутки. Существенна разница в цифрах водопотребления и за рубежом; так, в Лондоне на 1 человека приходится 260, в Нью-Йорке – 600 л/сутки. Было подсчитано, что при рациональном использовании имеющихся водных ресурсов Средней Азии, в частности, при увеличении КПД имеющихся ирригационных сооружений, покрывается дефицит воды, который испытывают сельскохозяйственные плантации. Это сделало ненужным строительство канала “Анти-Иртыш” в 80-е годы, предотвратило чрезмерное засоление земель Средней Азии. Реализация этого проекта означала бы ситуацию экологического срыва на территории бассейна рек Обь и Енисей из-за отчуждения огромного количества воды из рек. Таким образом, сегодня проблемы использования водных ресурсов заключаются во все возрастающих потребностях отраслей народного хозяйства в чистой воде при нерациональном ее использовании и загрязнении водотоков сточными водами. Сегодня уже задумываются о цене и ценности воды; можно сказать, что она превратилась в драгоценное сырье, ее добыча обходится дороже, чем добыча нефти. Но еще нельзя, к сожалению, сказать, что к воде мы относимся бережно. Мы еще не осознаем сегодня истинной цены глотка чистой воды. Только в Японии, единственной стране мира, в городском хозяйстве подается вода в трех кранах: морская, пресная хозяйственная и тщательно очищенная питьевая (в тоненьком кране), причем каждая из них имеет свою стоимость. Вода составляет основу внутренней среды живой клетки, содержит необходимые для жизни растворенные вещества; она необходима для протекания биохимических процессов обмена веществ. Наш организм в среднем состоит на 60% из воды; даже самое сухое – кости – на 28% состоят из воды. Кровь и лимфа на 90% состоят из воды, а мозг – на 85%. Без воды человек может прожить несколько дней; при потере организмом 11% воды наступает самоотравление, при потере 21% – смерть. В течение жизни нам необходимо около 25 тонн воды. Даже без большой физической нагрузки мы теряем в среднем за сутки до 3-х литров воды. 59 Без воды невозможен фотосинтез, которому обязана жизнь на Земле. Доказано, что кислород атмосферы фотосинтетического происхождения. Исключительно высокая теплоемкость воды превратила океан в огромный термостат, который регулирует температуру атмосферы Земли; именно на просторах Мирового океана формируется климат, который делает планету пригодной для жизни. Смягчающее влияние на климат оказывает не только водная масса самого океана, но и поступающий с океана в атмосферу водяной пар. Он задерживает до 60% теплового излучения нашей планеты, не дает ей охлаждаться. На смягчение земного климата, в частности температуры воздуха в переходные сезоны – весну и осень, заметное влияние оказывают огромные величины скрытой теплоты плавления и испарения воды. Вода, зной и холод разрушают горные породы, создавая почву. Дожди, ручьи, реки размывают горы, образуют широкие долины и глубокие ущелья, перемещают огромное количество материала. Ледники вспахивают долины, оставляют моренные холмы и озера, меняют ландшафт. Морской прибой разрушает берега моря, сносит острова. Под действием подземных вод и плывунов оползают склоны холмов. Растворяя известняки и другие породы, подземные воды создают карстовые формы рельефа – воронки, провалы. Вода сыграла и играет большую роль в историческом процессе геологического преобразования всей планеты. Природные воды находятся в едином круговороте, который происходит под воздействием солнечной энергии и гравитационных сил, на его осуществление расходуется около 23% всей достигающей Землю солнечной энергии. Только вода может находиться в природе в трех фазовых состояниях: твердом, жидком и газообразном. Фазовые переходы воды – ее замерзание, таяние, конденсация водяных паров и испарение, связаны с количеством поступающей в различные районы Земли в различные сезоны года солнечной энергии. Круговорот воды объединяет все водные ресурсы планеты, которые находятся в океане, атмосфере, биосфере, земной коре, обеспечивая таким образом единство всех природных вод Земли. Большой круговорот воды состоит из трех составляющих: океанического, атмосферного и материкового. Материковый круговорот включает литогенное, почвенное, речное, озерное, ледниковое, биологическое и хозяйственное звенья, каждое 60 из них отличается определенной скоростью водообмена, специфической структурой всех своих частей. Наиболее активный водообмен отмечается в реках и атмосфере, очень медленный круговорот воды происходит в ледниках, при формировании подземных вод. Биологическое и почвенное звенья круговорота воды обеспечивают жизнь и сельское хозяйство, именно эти звенья подвергаются наибольшему преобразованию при создании водохранилищ, прудов, проведении ирригационных мероприятий. Эти мероприятия проводят с целью искусственного замедления круговорота воды для гарантии устойчивого водообеспечения народного хозяйства и населения. Особенностью современной ситуации является то, что природные воды участвуют не только в естественном, но и антропогенном круговороте. В антропогенном цикле вода используется в энергетике, промышленности, сельском хозяйстве, коммунально-бытовом и питьевом секторе ЖКХ. Значительная ее часть после использования сбрасывается в водотоки в виде сточных вод. Физико-химические и химико-биологические процессы, протекающие в водотоках, обеспечивают установление определенного экохимического равновесия; растворенные в воде органические вещества служат энергетической основой водных экосистем. Химический состав воды зависит не только от физико-географических факторов, но и от протекающих в воде процессов жизнедеятельности водных организмов – гидробионтов. В условиях усиливающегося антропогенного воздействия существуют определенные закономерности протекания химико-биологических процессов. Решающее значение при этом имеет способность водной системы к самоочищению – снижению содержания поступающих в воду загрязняющих веществ за счет совокупного действия физико-химических, химикобиологических процессов. Концентрация поступающих в водоем веществ уменьшается под воздействием нескольких процессов: разбавления сточных вод; самоочищения водоема. Комплекс процессов, приводящих к снижению концентраций веществ вплоть до восстановления исходного качества воды водоемов (за исключением разбавления), принято называть самоочищением водоема, в 61 него входят: деструкция (разложение) неконсервативных образование новых промежуточных и конечных продуктов в ре веществ; Способность к самоочищению является одним из неотъемлемых и ценных свойств природных систем, в том числе и водных. Самоочищение природных вод – это восстановление качества и природных свойств воды, происходящее естественным путем и результате протекания комплекса взаимосвязанных процессов. Часть из этих веществ свойственны живой природе и могут вовлекаться в биологический круговорот. Чужеродные соединения рассеиваются в гидросфере. Они могут кумулироваться биотой по пищевым цепям, накапливаться в донных отложениях, претерпевать медленные химические превращения. Всю совокупность процессов самоочищения можно условно разделить на физические, биологические и химические. При физическом самоочищении свойства собственно водной среды, ее химический состав играют второстепенную роль. Под действием факторов растворения, разбавления, испарения, осаждения, сорбции осуществляется изменение или вынос загрязняющих веществ из водной среды. К факторам физического самоочищения относится температура воды, ультрафиолетовое излучения (бактерицидное действие), соленость; гидрологические характеристики водотока: скорость течения, аэрация воды и др. Биологическое самоочищение складывается из процессов метаболизма с участием легкоусваиваемых биогенных соединений; эффектов биоконцентрирования ионов тяжелых металловза счет процессов комплексообразования и сорбции; так называемого кометаболизма – биодеградации веществ, не участвующих в биологическом круговороте. Химическое самоочищение водной среды осуществляется по каналам гидролиза, редокс-катализа, прямого и сенсибилизированного фотолиза, окисления свободными радикалами. При массированном техногенном поступлении в водные объекты загрязняющих веществ механизмы самоочищения могут нарушаться или могут быть полностью подавлены если поступающие вещества или 62 промежуточные продукты их разложения являются токсичными и выводят из сообщества гидробионтов наиболее чувствительные виды, участвующие в процессах самоочищения. Особенно усложняются проблемы самоочищения при поступлении консервативных, т.е. трудно поддающихся разложению или практически неразлагаемых веществ: тяжелые фракции нефти, хлорорганические пестициды, соли тяжелых металлов. Кумуляция консервативных загрязняющих веществ по трофической цепи биоценоза до биологически опасного вида происходит даже при низких исходных концентрациях токсиканта в воде. Коэффициент накопления, например, пестицидов в органах и тканях растительноядных рыб составляет 4600 – 6100, хищных рыб 23600 – 38000, по сравнению с водной средой, служащей для них средой обитания. Рыба с такой концентрацией ядохимикатов опасны для употребления в пищу. Все гидробионты, отмирая, возвращают кумулированные вещества в водную массу, в донные отложения. Самоочищение водоемов от соединений металлов не происходит, наоборот, – в их присутствии процессы самоочищения тормозятся. Ресурсы чистых природных вод сокращаются, поскольку масштабы водопотребления непрерывно растут. Воздействие хозяйственной деятельности человека на водные экосистемы разнообразно, его условно можно свести к следующим типам: – объем воды, связанный хозяйственные нужды; с безвозвратным ее потреблением на – объем воды, связанный с возвратом загрязненных сточных вод, коммунально-бытового потребления, промышленных и сельскохозяйственных предприятий; – объем воды на нужды животноводства с последующим возвратом специфически загрязненных сточных вод; – использование воды на орошение сельскохозяйственных культур с последующим возвратом дренажного стока; – сброс воды, связанный с осушением заболоченных территорий; 63 – урбанизация территории окружающих водоемы ландшафтов и сброс значительных объемов моечных, поливочных вод и ливневого стока городов и населенных пунктов; – использование увеличивающихся объемов удобрений, пестицидов, биологически активных препаратов, и связанное с этим изменение состава поверхностного и грунтового стока с площади водосбора; – попадание стоков с автострад, территорий аэродромов, где используются химические вещества для очистки ото льда, снега; – сброс отепленных вод энергообъектов, в частности, тепловых и атомных электростанций; – гидротехнические работы, связанные со строительством водохранилищ гидроаккумулирующих и гидроэлектростанций, их эксплуатация; – межбассейновая переброска водного стока открытыми каналами; – обвалование мелководий и использование их в сельском и рыбном хозяйствах; – опреснение соленых и солоноватых водоемов, лиманов; – использование морских лагун для аккумуляции и очистки сточных вод; – использование морского шельфа для аквакультуры, добычи нефти и других полезных ископаемых; – вырубка лесов на водосборных площадях, уничтожение пойменных лугов и лесокустарниковой растительности в прибрежных водах; – водный транспорт и использование малого флота, загрязняющего воды нефтепродуктами и другими веществами; – распашка почв до уреза воды, усиление водной и ветровой эрозии, образование оврагов, абразия берегов; – подкисление (ацидификация) водотоков кислотными осадками вследствие загрязнения атмосферы выбросами оксидов азота, серы и др.; – интенсивное рекреационное использование водотоков и их прибрежных зон; – снижение уровней водопотребления; воды вследствие 64 ее усиленного сброса и – мероприятия по связыванию и осаждению фосфора в водоемах в результате использования тех или иных химических факторов; – искусственная аэрация водных масс с целью улучшения и регуляции кислородного режима водоемов; –изменение гидробиоценозов водоемов в результате усиленного вылова или уничтожения рыб ихтиоцидами, вселения новых организмов и интенсификация их развития (биоманипуляция). Перечисленные виды хозяйственной деятельности оказывают влияние на водные экосистемы и функционирование гидробиоценозов, и в конечном итоге – на формирование качества воды и биологической продуктивности водоемов. Экологические последствия зависят от силы воздействия фактора, его сопряженности с другими типами воздействия. Большое значение при этом имеют особенности физико-географических условий нахождения водоемов и гидрометеорологических условий года. Россия и большинство стран ближнего зарубежья богаты водными ресурсами, однако и здесь существуют водные проблемы, они обусловлены как природными, так и антропогенными факторами. Один из природных факторов – неравномерное распределение стока по территории: 84% ресурсов поверхностных вод приходится на бассейны Северного Ледовитого (3 030 км3/год) и Тихого океанов (950 км3/год). В них впадают крупнейшие реки России – Енисей, Лена, Обь и Амур, которые дают 44% объема всех рек России и стран ближнего зарубежья. На южные и юго-западные районы (бассейны Черного и Азовского морей, Арало-Каспийская низменность), где сосредоточено 75% населения, 80% промышленности и сельскохозяйственного производства 3 рассматриваемых стран, приходится всего 750 км , или 16% ресурсов поверхностных вод. На Европейской территории сток рек южного склона (Волга, Урал, Днестр, Днепр, Дон, Кубань, Кура, Терек) составляет 605 км3, или 50% от речного стока этой части СНГ. В Средней Азии и Казахстане на 65 значительной части территории не имеется рек, русла которых были бы заполнены водой в течение всего года. Сибирь располагает большими водными ресурсами: реки Енисей, Ангара, Лена и другие отводят за год 1974 км3 воды, что составляет 47% ее запасов в России (В.А. Знаменский, 1982). По объему годового стока первое место занимает Красноярский край, последнее – республика Тыва. Но, несмотря на большой объем, основная часть речного стока этих сибирских рек идет в малонаселенных местах. В пределах водосборной площади Енисея и Ангары доступны для освоения лишь 242 км3, что составляет треть годового стока Енисея. Еще контрастнее наличие и доступность для освоения у речных ресурсов Лены. Таким образом, при размещении водопользователей на обширной территории Сибири главную роль играет не величина стока по руслу большой реки, а сток, формирующийся на рассматриваемой части территории по мнению Виталия Александровича Знаменского. Для Красноярского края его размер составляет 10% от 916 км3, о которых обычно идет речь при оценке водообеспеченности региона. Колоссальные запасы водных ресурсов Сибири послужили основанием для ошибочно высокой оценки водообеспеченности территории, механическое перенесение этого вывода на отдельные части территории, привело к расточительному расходованию воды, что, в свою очередь, затруднило борьбу с загрязнением рек. Другой природный фактор, вызывающий возникновение водных проблем – неравномерное распределение стока по сезонам года. На большинстве рек Европейской части России, Западной и Восточной Сибири, а также Дальнего Востока свыше 2/3 стока проходит за 2…3 месяца весеннего половодья. Еще более остро положение в южных районах, в частности, в Казахстане, где на период весеннего паводка приходится свыше 95% всего годового стока. Атмосферные осадки формируют воды почвенного горизонта, роль которых в земледелии исключительно велика, однако особенности физикогеографического положения России и стран ближнего зарубежья таковы, что в зоне земледелия выпадает менее всего осадков. Подсчитано, что на пашни приходится в среднем около 900 км3 осадков, т.е. 8% их общего количества. Дефицит водопотребления для пашни 66 составляет около 600 км3. Высокая изменчивость этих показателей в многолетнем разрезе и внутри года вызывает засухи. Таким образом, за последние пятьдесят лет водные проблемы существенно обострились в связи с антропогенными изменениями речного стока и бесхозяйственностью. Так, в наиболее обжитых районах не осталось крупных рек, не нарушенных в той или иной степени хозяйственной деятельностью, причем как на территориях водосборов, так и в руслах самих рек. Важнейшей проблемой современности, связанной с качеством природных вод, продуктивностью водных экосистем является эвтрофирование водоемов и связанные с ним экологические, социальные, технические и экономические последствия. Это явление возникло в 30-е годы прошлого столетия в странах Западной Европы и США, в настоящее время имеет глобальные масштабы и представляет собой комплекс сложных социально-технических задач. Термин «трофность», введенный в начале века, имеет значение «кормность», «питательность» водоема для гидробионтов (греч. «автрофос» – тучность, жирность). В настоящее время существуют классы качества воды: олиготрофным водоемам соответствует очень чистая вода (1-й класс качества); мезотрофным – чистая вода (2-й класс качества); слабоэвтрофным соответствует очень незначительная загрязненность (3-й класс качества); сильно эвтрофным – незначительная загрязненность (4-й класс качества); политрофности водоема соответствует очень сильная загрязненность воды (5-й класс качества); гипертрофности соответствует очень загрязненная вода (6-й класс качества). Эта классификация установлена в рамках «Единых критериев качества вод», принятых в 1982 году, для нее использован комплекс физико-химических, химических и биологических показателей природных вод, учтен характер водопользования, степень проточности водоема. Эвтрофирование трактуется как увеличение содержания в водоемах соединений азота, фосфора, железа и других биогенных элементов, что приводит к повышению интенсивности первичного продуцирования органического вещества, стимулирует рост водорослей, высшей водной растительности. Различают естественное и антропогенное эвтрофирование. 67 По характеру экологических последствий влияния антропогенных факторов на водные экосистемы можно выделить следующие: химическое, тепловое эвтрофирование, загрязнение (химическое, биологическое, тепловое, радиоактивное); подкисление воды, открытая переброска стока на значительные расстояния, создающая специфические условия для проявления последствий химического эвтрофирования, загрязнения, ацидификации. Рассмотрим специфические особенности этих типов экологических последствий. До определенных этапов эвтрофирование с точки зрения получения биологической продукции, является полезным процессом; умеренно эвтрофные водоемы дают более высокие показателя биопродукции, чем мезотрофные и олиготрофные. Но химическое эвтрофирование, является причиной возникновения в водных экосистемах комплекса изменений физико-химических и биологических характеристик воды, что определяет формирование качества воды и биологическую продуктивность водоема. Химическое эвтрофирование связано с увеличением содержания в водоеме соединений азота, фосфора и других биогенных элементов, что приводит к повышению интенсивности первичного продуцирования органических веществ, стимулирует рост водорослей. По характеру ответных реакций водных экосистем наиболее близко находится их отклик на тепловое или термическое эвтрофирование (таблица 1). Понятия «эвтрофирование» и «загрязнение» не идентичны, несмотря на то, что эти процессы тесно связаны, взаимообусловлены и являются следствием попадания в водоемы различных веществ. Принципиальная разница заключается в следующем. Под загрязнением понимают накопление в воде различных химических соединений, в первую очередь токсичных для гидробионтов (нефтепродукты, фенолы, СПАВы, тяжелые металлы и другие), при этом различают химическое, биологическое («цветение» воды), термическое и радиоактивное загрязнения. При загрязнении природных вод в водных экосистемах наблюдаются изменения, связанные с падением биологической продуктивности, вымиранием целых трофических звеньев, снижением уровня функционирования большинства гидробионтов и, в конечном итоге, отмиранием экосистемы (таблица 2). (табл из сб 11 школы стр 84) 68 Последствия токсического загрязнения для водных экосистем _______________________________________________________________ Изменение физических и химических Изменение биологических Характеристик воды характеристик водоемов __________________________________________________________________ ___________ Появление и увеличение концентраций обусловленв воде нефтепродуктов, пестицидов, фетрофических звеньев нолов, тяжелых металлов, детергентов, ценных видов, СПАВ и других загрязнителей Перестройка гидробиоценозов, ная отмиранием целых Элиминация из экосистем нарушение трофических связей Изменение рН и Еh воды водорослей и Нарушение фототаксиса движения животных 69 Нарушение газообмена водной поверхфотосинтеза, Снижение интенсивности ности с воздухом; нарушение процессов первичного обраиспарения воды с поверхности вещества выделения кислорода и зования органического Ухудшение подводной освещенности деструкции, анаэроб- Повышение скорости водной толщи сероводорода ных процессов, образование Интенсификация фотохимических, своза счет ос- Ухудшение кормовой базы рыб бодно-радикальных процессов бентоса и лабления развития и отмирания зоопланктона Накопление загрязнителей в донных отпроцессов самоложениях и вторичное загрязнение воды Снижение интенсивности очищения, падение БПК5 Исчезновение ценных промысловых видов Усиление химического поглощения кислорода и ухудшение газового режима возникновение «био- Отмирание экосистем, логически мертвых» водоемов 70 Несмотря на то, что в основе процессов эвтрофирования и загрязнения лежит попадание в водоем различных химических соединений, как утилизируемых, так и не утилизируемых гидробионтами, между характером последствий есть существенное принципиальное отличие, которое определяет направленность водоохраной деятельности общества. Необходимо уточнить понятия термического эвтрофирования и термического загрязнения. Тепловые и атомные электростанции сбрасывают в водоемы большое количество тепла, составляющее до 50-55% энергии ископаемого топлива, идущего на выработку электроэнергии. Атомные электростанции на единицу установленной мощности сбрасывают подогретой воды в 1,7-2,0 раза больше, чем тепловые. Это приводит к значительному изменению температурного режима водоема, его термическому загрязнению. До определенного предела теплофикация водоема оказывает положительное влияние на процессы самоочищения; однако усиление тепловой нагрузки, перегрев водоема приводит к глубокому нарушению функционирования, деградации водной экосистемы. В этом случает можно классифицировать этот фактор как тепловое загрязнение. Тепловое воздействие на водоемы обусловлено влиянием локального фактора на конкретные водные объекты. Таким образом, антропогенное эвтрофирование является мощным, повсеместно действующим, практически пока неизбежным и прогрессирующим фактором воздействия на водные экосистемы. На земном шаре практически не осталось не затронутых человеческим вмешательством природных водоемов. Для человека как потребителя водных и биологических ресурсов водоемов, накопление в воде биогенных элементов, усиление темпов и повышение интенсивности продуцирования по экологическим, техническим, 71 экономическим и социальным последствиям для общества является крайне нежелательным. «Цветение» континентальных водоемов, явления «красных приливов» в морях и океанах у берегов Африки, Аравийского полуострова, востоке Австралии Японии, Перу, Чили, Мексики, Калифорнии, Флориды изза размножения отдельных видов (красного цвета) водорослей; в средних широтах недобрую известность приобрело цветение сине-зеленых водорослей. Таблица ______________________________________________________________ Социальные Заболеваемость под Экономические влия Сокращение рекреационного нием накопления нитратов, использования водоемов нитритов, нитрозоаминов, Увеличение затрат на Технические Усложнение методов очистки воды при водоподготовке подготовку Биологическое загрязнение Падение уловов рыбы качества воды замена ценных видов рыб заболеваемость (холера, гаст- Помехи в оборотно ухудшение тюлькой роэнтериты, лямблиозы, дифиллоботриозы, легочные заболевания Вирусное загрязнение Уменьшение национального Переброска воды на (менингит, энцефалит) из-за затрат на очищение вод далекие расстояния Грибковые инфекции Ухудшение качества продук Заболевания из-за цветения ции за счет загрязнения воды воды синезелеными водорослями (юксовско-сартланская, 72 гаффская болезнь, аллергия, токсикозы, конъюктивиты, поражения печени) Ухудшение качества жизни общества Существенное влияние на качество воды водоемов имеет подкисление. Под подкислением (ацидификацией) водоемов понимают снижение рН среды, обусловленное такими естественными причинами как зарастание и заболачивание, так и антропогенными факторами, связанными с трансконтинентальными переносами кислотных осадков. Так, с начала ХХ века за восемьдесят лет содержание в атмосфере Европы окислов азота и серы увеличилось более, чем в шесть раз; рН дождевой воды в Нидерландах до 4,8, в Бельгии – до 4,5; туманы в Германии имеют рН 2,5 – 5,1. В США выпадают кислотные дожди с рН воды до 2,2. Интенсивно развивается закисление озер в Норвегии, Швеции, Франции, Германии, а также в США; вместе с закислением повышается и концентрация сульфатов. В России и СНГ с фактами закисления столкнулись в Карелии, районах Карпат, в пойменных озерах Днестра. Применяемые восстановительные мероприятия – известкование, вселение ацидофильных водорослей дают кратковременный эффект, поэтому продуктивность водоемов падает, качество воды ухудшается. “ Экологические последствия от создания водохранилищ разнообразны. С одной стороны, помимо решения главных гидроэнергетических проблем, регулируют поверхностный сток, снижая разрушительные последствия паводков, улучшают условия водоснабжения, судоходства. Регулирование стока рек водохранилищем позволяет гидроэлектростанции развить установленную и увеличить гарантированную мощность, повысить общую выработку энергии и степень энергетического использования стока. 73 Создание водохранилищ связано с отрицательными для окружающей среды и человека последствиями как переработка, абразия берегов, активация на них оползней и карста. Зарегулирование водотока приводит к нарушению режима грунтовых вод в результате их подпора. В результате корнеобитаемый слой прилежащих сельскохозяйственных угодий испытывает избыточное увлажнение, что ведет к заболачиванию, засолению почвы. Вдоль берега образуется многометровая заболоченная полоса подтопления, дикие животные в этих местах не могут подойти к чистой воде на водопой и на берегу моря пресной воды погибают от жажды. При строительстве водохранилищ существенно нарушается хозяйственная жизнь районов, подвергающихся затоплению, что требует широкого круга мероприятий не только по переустройству затопляемых объектов. Территории, предназначенные для нового расселения и использование под сельскохозяйственные угодья, обычно представляют собой нетронутую тайгу, хозяйственное освоение которой – трудоемкий процесс. Колебания воды в водохранилище (паводковые и регламентные) приводят к тому, что в прибрежной полосе вследствие химического и механического вымывания органической и глинистой части почвы остается песчаная фракция, что влечет за собой опустынивание местности. Зарегулирование стока реки и создание водохранилища приводит к значительному замедлению водообмена, что является одной из причин нарушения функционирования водных экосистем, перестройки гидробиоценозов. Массовое развитие сине-зеленых водорослей и «цветения» воды, когда в результате их избыточного развития резко падает кислородная продуктивность клеток, усиливаются процессы разложения, накапливаются органические вещества и токсичные продукты их распада. В местах скопления больших масс сине-зеленых водорослей, особенно в заливах и бухтах, возникают локальные заморы, вызывающие массовую гибель рыб и других гидробионтов. Мероприятия по борьбе с эвтрофированием можно разделить на две группы: профилактические и регулирующие. Среди профилактических мер – осуществление всего водоохранного комплекса по защите водных объектов от загрязнения, истощения и чрезмерного эвтрофирования. Среди регулирующих – изменение гидрологических, морфологических характеристик водоема: проточности и скорости течения, турбулентности, 74 водообмена, мутности, температуры воды. Значительный эффект могут дать различные химические и физико-химические меры, использование внутриклеточных паразитов водорослей, акклиматизация растительноядных рыб. Существенное влияние на улучшение качества воды может оказать изъятие из водоемов их биологической продукции – рыбы, водорослей, высшей водной растительности, а в перспективе – запасов органического и минерального сырья донных отложений. Таким образом, антропогенный фактор в настоящее время стал играть определяющую роль в функционировании не только континентальных, но и морских, океанических экосистем. Признав опасность различных видов загрязнения для водных систем, общество находит экономические и технические возможности для законодательного и технологического устранения загрязнения (таблица). Характеристика природных вод Грунтовые воды содержат преимущественно растворенные, а поверхностные – взвешенные вещества. Например, в р. Аму-дарья 5 000мг/л и более. Больше взвешенных наблюдается в осенние и весенние паводки. 75 Существует несколько способов классификации природных вод. 1. По происхождению: атмосферные (осадки), подземные (ключевые, колодезные) и поверхностные (речные, озерные, морские, болотные). 2. По количеству и характеру примесей воды подразделяют на пресные, соленые, мягкие, жесткие, прозрачные, бесцветные, опалесцирующие, мутные, окрашенные, пахнущие и т.д. 3. По принципу использования: питьевые, хозяйственные, технические, охлаждающие, лечебные и т.д. Минеральные воды подразделяют на соленые, щелочные, горькие, железистые, газовые, серные. Речная вода обычно содержит от 0,05 до 1,6 г/л солей. Наиболее минерализованы воды Темзы и Нила. Малым содержанием солей отличаются воды Печоры и Невы (около 0,05 г/л). Болотные воды содержат мало минеральных солей, но много органических веществ – до 850 мг/л. По физико-химическим свойствам загрязнения можно разделить на 3 группы. К первой относятся вещества, полностью растворяющиеся в воде; это растворенные газы: кислород, азот, углекислый газ, сероводород, растворимые соли: натрия, калия, кальция, магния, алюминия, железа, марганца.. По внешнему виду эту воду нельзя отлить от чистой, примеси можно обнаружить только с помощью химического анализа. Растворенные примеси не задерживаются ни песчаными ни бумажными, ни другими обычными типами фильтров. Ко второй группе относятся примеси, образующие с водой коллоидные системы (мыло в воде дает частицу примерно из 50 молекул. В воде могут находиться в коллоидном состоянии вещества минерального происхождения (оксиды кремния, гидроксиды алюминия, железа) и органического происхождения (гуминовые, фульвокислоты), они окрашены. 76 В отстойниках коллоидные частицы не задерживаются, проходят через песчаный и бумажный фильтры. К третьей группе относятся примеси, образующие в с водой взвеси: частицы глины, песка, перегноя. Они осаждаются при продолжительном отстаивании; задерживаются бумажными, частично песчаными фильтрами. Схема самоочищении воды: физический канал – растворение, разбавление вынос, сорбция осаждение, испарение. Биологический – метаболизм, биоконцентрация, биодеградация; химический – гидролиз, редокс катализ, фотолиз, радикальное окисление. Основными источниками водоснабжения населения Красноярского края являются поверхностные проточные водотоки бассейна рек Енисей, Обь, Пясина и их притоки: Ангара, Чулым, Кан, Курейка, Оя, Ирба, Канзыба, Рыбная, Барга, Туба, Тея, Кривляжная, Джебь, Березовска, Оллонокон, Гравийка, на которых расположено 34 водозаборных сооружения, в том числе 20 используют их подрусловые воды. Эти водотоки обеспечивают хозяйственно-питьевое водоснабжение 1623,8 тысяч человек, (что составляет 53,2% населения края); подземные источники, обеспечивают 46,8% населения. Бассейн р. Енисей является одним из основных источников водоснабжения населения края водой питьевого качества. В 44 административных территориях эксплуатируется 1250 водозаборов, использующие напорные и безнапорные подземные воды. Наиболее предпочтительными характеристиками водопользования обладают реки Енисей, Чулым, Кан, наименее предпочтительны для питьевого и культурно-бытового использования – реки Кача, Оя, Рыбная, Ангара. Так, качество воды открытых водоисточников в исследованных Госкомгидрометом створах для систем централизованного водоснабжения по санитарно-химическим показателям не соответствует гигиеническим нормативам в 29,1% проб из р. Енисей в г. Лесосибирске, 14,6% из р. Чулым г. Ачинска, в 35,7% из водоисточников Эвенкийского муниципального района. К категории эпидемически опасных отнесены 7 створов на водоемах питьевого использования: на р. Енисей (п. Городок, Минусинского района, г. Лесосибирск); р. Кан (г. Иланский), р. Барга (г. Бородино); р. Ангара (п. 77 Мотыгино, п. Раздолинск, Мотыгинского района). В 36 административных территориях края в 157 населенных пунктах обеспечиваются питьевой водой, с качеством, не отвечающим действующим санитарным нормам по ряду санитарно-химических показателей. Питьевую воду с содержанием ионов железа выше ПДК получают жители в 33 административных территориях края; с содержанием нитратов выше гигиенических нормативов – в 7 территориях; не отвечающей гигиеническим требованиям по жесткости – в 18 территориях. Повышенные концентрации марганца отмечаются в питьевой воде 12 водопроводов из подземных источников, аммиак в концентрациях выше ПДК регистрирован в оде 6 водопроводов, повышенные концентрации бария выявлены в питьевой воде 7 водопроводов. Содержание фтора превышает гигиенический норматив в воде 11 водопроводов территории Балахтинского, Сухобузимского, Новоселовского районов и г. Лесосибирске. Хозяйствующие субъекты в нарушение п.3 ст. 18 ФЗ № 52 от 30.03.99 г. не имеют санитарно-эпидемиологических заключений о соответствии водных объектов санитарным правилам и условиям безопасного для здоровья использования водного объекта. Низкий процент обеспеченности производственным контролем за качеством питьевой воды централизованных и особенно нецентрализованных систем водоснабжения. Отсутствуют проекты зон и организованные зоны санитарной охраны водоисточников. Истощение озонового слоя происходит в результате поступления в атмосферу таких соединений, как фреон-12 (CCl2F2), фреон-22 (CHClF2), хлорфторуглерод-11 (CCl3F), хлорфторуглерод-113 (CCl2FCClF2)* и др., применяющихся в холодильных установках, системах кондиционирования воздуха, при производстве пластмасс, очистке деталей электронного оборудования. В результате метеорологических процессов и химических реакций, которые для фреона-12, например, протекают следующим образом CCl2F2 + УФ-излуч. Сl + CClF2, Сl + О3 СlO + О2, Соединения, состоящие из атомов углерода С, хлора Сl и фтора F, в естественной природе не существуют. * 78 СlO + О С1 + О2 значительная часть хлора высвобождается в виде атомарного хлора, который участвует в разрушении озона. Эти реакции могут повторяться снова и снова (один атом хлора может разрушить около 100 000 молекул озона). Истощение озонового слоя приводит к повышению доли достигающего поверхности Земли ультрафиолетового излучения, которое увеличивает заболеваемость населения, губительно для фауны и флоры. Почвы Вмешательство в структуру и функционирование компонентов биосферы человеком происходит в земледелии, например, истощение почв, замена боле продуктивных экосистем менее продуктивными, отчуждение почв под строительство, нарушение естественных круговоротов при перемещении больших масс биологической продукции. Это приводит к уменьшению объемов живого вещества (биомассы) биосферы. Приложения ПЕСТИЦИДЫ. С 1947 г. началось производство пестицидов из группы хлорированных углеводородов; наибольшее распространение имел препарат ДДТ (дуст). Он обладает такими положительными качествами, как высокая активность, широкий спектр действия, достаточно недорог. Действие на человека и теплокровных животных – яд политропного действия; поражает центральную и вегетативную нервную систему, печень, почки. Поступает через рот, дыхательные пути, кожу. Через 3 часа после контакта появляется в мозге, печени, мышцах, плаценте, зародыше; переходит в молоко кормящих женщин. 79 Действие на насекомых – высокоактивный яд контактного и кишечного действия. Обладает свойствами фумиганта; на некоторых насекомых действует как отпугивающее средство. Действие на растения – проникает через листья и корни, накапливается в растении; на легких песчаных почвах поступает больше, чем на глинистых тяжелых, повышение влажности усиливает процесс. Наблюдается четкая стимуляция роста растений после обработки семян. (!) Препарат ДДТ плохо растворим в воде, но хорошо растворим в органических растворителях, в т.ч. жирах (липидах). Поэтому хорошо проникает через липидные мембраны клеток кожи человека. Термически и химически устойчив к воздействию факторов внешней среды – температуре, инсоляции (УФ солнечных лучей), влаге; в почве сохраняется до 15-20 лет. Из почвы попадает в растения, особенно в корне- и клубнеплоды, в грунтовые воды, водоемы; попадая в воду, обнаруживается в ней месяцы. Разрушение ДДТ происходит медленно (период полураспада 30 лет), он поглощается растительными и животными организмами и накапливается по пищевым цепям; в организме человека накапливается в жировой ткани, внутренних органах, мозге. Устойчив к действию окислителей. Обладает резко выраженной способностью к кумуляции. Не удаляется термической обработкой. Хроническое отравление – 50 мг на 1 кг пищи. К 70-м годам производство ДДТ составляло миллионы тонн, что в пересчете на население планеты – более 1 кг на человека. Систематическое применение ДДТ привело к появлению устойчивых популяций насекомых, при этом возникает групповая приобретенная устойчивость. Из-за этого дозы дуста при обработке тайги от энцефалитного клеща были вынуждены постоянно увеличивать, в результате увеличение к 80-м гг. было в 50 раз. Находясь в организме человека, животных и птиц препарат ДДТ способствует выведению кальция из организма. В результате этого в 70-е годы численность птиц (в том числе насекомоядных) сократилась на 75%, т.к. скорлупа яиц была мягкой и зародыши погибли. Таким образом, вредителей с/х сам человек вывел из-под пресса их естественных хищников! Запрещен к применению в большинстве стран, но в Африке сегодня производится в объемах около 30000 т в год. 80 ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ. Появились в окружающей среде благодаря человеку, извлекшему их из рудных ископаемых. Обладают самой высокой экологической опасностью, т.к. накапливаются в живых объектах окружающей среды в отличие от веществ, молекулы которых способны к разложению со временем под действием природных факторов. (Атомы металлов не могут разрушиться, разложиться !). Тяжелые металлы необратимо связываются с веществами тканей организма, которые при этом изменяют свои биологические свойства; они обладают способностью реагировать с тиогруппами ( –SH) белков; происходит денатурация белков, они «свертываются» (как белок яйца при нагревании), что приводит к потере белком своей биологической активности. Тяжелые металлы действуют на различные белки организма человека, в т.ч. на белки ферментов, гормонов, поэтому обладают широким спектром действия, вызывая тяжелые нарушения обменных процессов: мутации, рак, аллергии, болезни нервной, кровеносной систем, поражение печени, почек, мозга. Прочное связывание веществ организма тяжелыми металлами приводит к накоплению, аккумуляции их в организме растений, животных, человека. После разложения остатков и останков, накопленные тяжелые металлы вновь вовлекаются в следующий виток спирали биологического круговорота веществ. Основным источником поступления тяжелых металлов в окружающую среду являются: промышленность, теплоэнергетика, транспорт, а также минеральные удобрения и пестициды, те, которые содержат соли тяжелых металлов. В микроколичествах (около и ниже 0,0001 мг/л) тяжелые металлы необходимы организму, они входят в состав молекул многих веществ тканей человека, но в тех концентрациях, в которых они в настоящее время находятся в окружающей среде, они крайне опасны по вышеперечисленным причинам. Словарь терминов 81 Контрольные вопросы по экологии 1. Предмет, методы и объекты экологии; основные разделы экологии 2. Каким образом связаны и соотносятся экология, природопользование и охрана природы. 3.Задачи теоретической и прикладной экологии 4. Современные глобальные проблемы экологии. 5. В чем суть эгоцентрического и биоцентрического подхода к проблеме отношений человека и природы? 6. Системные связи в экологии, определение системы. Общие свойства систем; значение контура обратных связей. 7.Системные постулаты экологии. 8. Геосфера, биосфера, экосфера; модель экосферы, основные связи между компонентами экосферы 9. Главные законы экологии. 10. Уровни организации живой материи; систематика живых организмов. Основные свойства живых систем 11. Надорганизменные биосистемы. Популяции. Структуры и динамика численности популяции 12.Экосистемы планеты Земля. 13. Дать определение биосферы, назвать ее главные функции. 14. Биотическая регуляция окружающей среды. Поток знергии, информации в биосфере. 15. Привести схему круговорота углерода, азота, кислорода, фосфора, серы в биосфере. 16. Основные этапы эволюции биосферы. 17. Основные группы экологических факторов. 82 18. Описать основные формы реагирования живых систем на изменение факторов среды. 19. Основные типы межвидовых биотических взаимодействий. 20. Сформулировать и иллюстрировать понятие экологической ниши,. 21. Назвать главные этапы техногенеза, связав их с экономическим развитием цивилизации. 22. Сравнить техносферный обмен веществ с биосферным. 23. Дать классификацию природных ресурсов по разным критериям. 24. Охарактеризовать масштабы использования возобновимых ресурсов на примере почвы, воды, биоресурсов. 25. Оценить мировые запасы невозобновимых природных ресурсов. 26. Описать общую структуру использования энергоресурсов. 27. Дать сравнительную характеристику способов производства энергии. 28. Альтернативная энергетика: проблемы и перспективы. 29. Указать виды техногенных загрязнений окружающей среды. 30. Химическое загрязнение; характер действия химических веществ – загрязнителей 31. Физические факторы загрязнения окружающей среды. Источники загрязнения природных вод. 32. Биологическое загрязнение. 33. Комплексное загрязнение. 34. Загрязнение атмосферного воздуха в городах. 35. Основные источники загрязнения атмосферы в горной промышленности. 36. Загрязнение поверхностных и подземных вод в горнодобывающей промышленности. 37. Водоохранные мероприятия горнодобывающих предприятиях. по защите подземных вод 38. Основные экологические проблемы в горной отрасли промышленности. 83 на 39. Проблемы истощения водных ресурсов. 40. Проблема образования техногенных ландшафтов при горных разработках. 84