Загрузил lika-den98

научно-технический прогресс и загрязнение окружающей среды

Реклама
Научно-технический прогресс и
загрязнение окружающей среды
Литература:
1. Пучкова Т.А. «Биотехнология очистки промышленных
отходов». Мн. : БГУ, 2018.
2.
Ручай
Н.С.,
Маркевич
Р.М.
«Экологическая
биотехнология». Мн. : БГТУ, 2006.
3. Прикладная экобиотехнология: учеб. пособие: в 2 т. / А.Е.
Кузнецов [и др.]. – М.: БИНОМ, Лаборатория знаний, 2010.
4. Биотехнология: В 8 кн. / под ред. Н.С. Егорова и В. Д.
Самуилова.
М.:
Высшая
школа,
1986.
5. Глик Б. Молекулярная биотехнология. Принципы и
применение / Б.. Глик, Дж. Пастернак. М.: Мир, 2002.
• 1.
Экологическая
биотехнология
как
раздел
биотехнологии. Преимущества её использования для
решения проблем окружающей среды.
• Биотехнология - наука, изучающая возможности
использования живых организмов, их систем или
продуктов
их
жизнедеятельности
для
решения
технологических задач.
• Экологическая биотехнология — раздел биотехнологии,
занимающийся решением задач охраны окружающей
среды и рационального природопользования путем
промышленного применения биологических объектов и
биологических процессов.
• Преимущества применения биотехнологических методов
в экологии:
• 1)
высокие
катаболические
возможности
микроорганизмов,
широкий
спектр
удаляемых
загрязнений. Возможно получение более активных
штаммов методами генетической инженерии;
• 2) Проведение процессов в нормальных (природных)
условиях (не высокие температуры, атмосферное
давление);
• 3) отсутствие вторичного загрязнения окружающей среды
(деструкция загрязнений идет до простых соединений).
• 4) При биотехнологической обработке отходов возможно
получение полезных продуктов (этанол, биогаз, белок
одноклеточных, кормовые препараты витаминов и др.).
• Основные
направления
биотехнологии:
•
•
•
•
экологической
1) биологическая очистка сточных вод;
2) биоремедиация загрязненных почв;
3) биологическая очистка воздуха от пахучих веществ;
4) обработка твердых отходов (утилизация ила сточных вод,
ТБО);
• 5) получение возобновляемых источников энергии (биогаза,
биоэтанола и др.);
• 6) создание средств биологической борьбы с болезнями и
вредителями сельскохозяйственных культур, альтернативных
химическим пестицидам.
• 2. Техногенные и естественные биогеохимические
потоки (циклы) отдельных элементов.
• Биосфера — оболочка Земли, заселённая живыми
организмами и преобразованная ими.
• В
природе
происходит
постоянный
круговорот
разнообразных элементов, в котором участвуют растения,
животные и микроорганизмы.
• Роль микроорганизмов в формировании биосферы
• На Земле более половины периода существования жизни
(2,7 млрд. лет) господствовали микроорганизмы.
Результатом их деятельности является возникновение
кислородсодержащей атмосферы, почвы, а также
биогеохимических циклов.
• 1) Появление в атмосфере кислорода и удаление из нее
ядовитых газов.
• 2) Формирование океанических вод.
• 3) Отложения полезных ископаемых: каменного угля,
нефти, природного газа, железа, карбоната кальция, серы,
образование бокситов.
• До появления жизни на Земле атмосферные газы
находились в сильно восстановленном состоянии, в
настоящее время они существуют в окисленной форме:
Элемент
Азот
Кислород
Углерод
Состояние элемента
до появления
в настоящее время
жизни на земле
NH3
N2
пары H2O
O2
CH4
CO2
• Под
биогеохимическими
циклами
понимают
опосредованную
через
биохимические
реакции
трансформацию элементов, приводящую к их глобальному
круговороту, включая перемещение между атмосферой,
гидросферой и литосферой.
• Циклическим превращениям подвергаются все основные
необходимые для жизни элементы (углерод, кислород,
азот, сера и фосфор).
• Биогеохимические циклы взаимосвязаны друг с другом.
• Эти циклы действуют как в планетарном масштабе, так и в
конкретных ландшафтах-экосистемах.
• Наиболее важные биогеохимические циклы:
• 1) Круговорот газов, в котором атмосфера служит
главным резервуаром C, N и H2O.
• 2) Круговорот осадочных элементов (осадочный цикл) –
(P, S), которые изначально входили в состав горных пород,
попали
в
биосферу
в
результате
эрозии,
осадкообразования, горообразования и вулканической
деятельности.
• С точки зрения охраны окружающей среды наиболее
важно изучать круговорот углерода, азота, серы,
фосфора, так как:
• 1) Это важнейшие биогенные элементы. Входят в состав
минеральных и органических соединений биосферы.
• 2) Доминируют в составе веществ-загрязнителей,
поступающих из различных техногенных источников.
Антропогенное их поступление в биосферу нарушает их
биогеохимические циклы.
• Круговорот углерода и кислорода происходит в
результате:
• 1) Участия живых организмов:
– кислородный фотосинтез
CO2 + H2O → [CH2O] + O2 (оксигенные фотоавтотрофы)
– аэробное дыхание
• [CH2O] + O2 → CO2 + H2O (аэробные хемогетеротрофы)
• 2) Карбонат-гидрокарбонатной системы. В мировом
океане растворяется CO2 атмосферы с образованием
угольной кислоты (H2CO3).
• Процессы поглощения и выделения СO2 осуществляются
живыми организмами и проходят с участием кислорода.
Кислород поступает в атмосферу при фотосинтезе; из
атмосферы потребляется для окисления органических
веществ.
• Первичные продуценты поглощают CO2, включая его в состав
органических веществ:
• 1) Наземные первичные продуценты – это растения
(оксигенный фотосинтез).
• 2) В водных экосистемах – это планктонные микроводоросли и
фотосинтезирующие прокариоты (оксигенный, аноксигенный
фотосинтез).
• В морях продуктивность диатомовых водорослей сопоставима с
продуктивностью хвойных лесов северного полушария.
• 3) В придонных осадках, в экстремальных экологических
нишах, в глубинных слоях почвы – хемолитотрофные бактерии
и археи.
• Монооксид углерода (СO) продуцируется водорослями,
• углеводороды — растительностью и микроорганизмами,
• метан образуется при анаэробном разложении органических
веществ, при жизнедеятельности жвачных животных.
• Микроорганизмы в цикле углерода участвуют:
• 1) в процессах разложения органических веществ,
• 2) трансформации и разложении продуктов химического
синтеза.
• В
аэробных
условиях
происходит
разложение
органических веществ до CO2 и H2O.
• В анаэробных зонах может происходить разложение до
CO2 и CH4.
Цикл углерода незамкнутый.
Часть углерода в форме неживого органического вещества и
карбонатов выводится из цикла и закрепляется в почве в
форме гумуса, в отложениях торфа, нефти, газа, угля,
находящихся в ископаемом состоянии.
• Антропогенное действие на круговорот углерода и
кислорода.
• С развитием промышленности и транспорта сгорает много
углеводородного топлива. В атмосфере увеличивается
содержание углекислого газа. Это увеличивает парниковый
эффект. Разрушение озонового слоя.
• В процессе горения используется кислород.
• Уменьшается поступление кислорода в атмосферу:
• 1) из-за сокращения площадей лесов, степей и увеличения
пустынь.
• 2) сокращается количество продуцентов кислорода в
водоемах из-за загрязнения.
• Антропогенное действие на круговорот углерода.
• Круговорот азота
• Происходит в атмосфере, литосфере, гидросфере.
• В атмосфере сосредоточена основная масса азота в форме N2
(75,6%), часть растворена в воде мирового океана.
• Азот поступает в атмосферу в результате выветривания пород
земной коры и других процессов.
• В атмосферу попадают газы: N2, NH3, N2O, NO, NO2. При
взаимодействии с водой образуются азотистая и азотная
кислоты. Их соли – нитриты, нитраты. NH3 реагирует с
оксидами серы с образованием NH4HSO4, который затем
вымывается атмосферными осадками.
• Соединения азота попадают на поверхность Земли с дождями.
•
• Азот может связываться под воздействием разрядов
атмосферного электричества и других атмосферных явлений.
• Биологический круговорот азота представляет собой
практически замкнутый цикл, не оказывающий прямого
влияния на химический состав атмосферы.
• Атмосферный азот фиксируется микроорганизмами.
• Биологическая трансформация азота включает:
• азотфиксацию,
• ассимиляцию (включение в состав аминокислот, белков),
• аммонификацию (разложение белков с образованием
аммиака),
• нитрификацию (окисление аммония до нитрита или
нитрата),
• денитрификацию (восстановление до N2).
• Биологический круговорот азота.
Биологическая фиксация молекулярного азота атмосферы в природе
осуществляется частично свободноживущими, а частично симбиотическими
азотфиксирующими почвенными микроорганизмами. Азот переходит в состав
органических соединений. После отмирания и распада микробных клеток он
используется растениями.
• В результате хозяйственной деятельности людей цикл
азота претерпел значительные изменения.
• Значительное количество азота в форме оксидов поступает
в атмосферу с выбросами промышленных предприятий,
транспорта, сжиганием минерального топлива, а в
гидросферу с бытовыми и промышленными стоками.
• Происходит промышленная фиксация азота для
производства удобрений и последующее внесение их в
почву.
• Применение нитратных и аммонийных удобрений в
сельском хозяйстве при попадании их в водоёмы приводит
к эвтрофикации.
• Биологический круговорот серы
• Микроорганизмы играют ключевую роль в осуществлении
следующих важнейших этапов в превращении серы:
• Окисление серосодержащих органических веществ до
сульфатов (аэробные микроорганизмы).
• Восстановление сульфатов до сероводорода (анаэробные
микроорганизмы).
• Окисление сероводорода до элементарной серы и далее
до сульфатов (серобактерии).
• Растения усваивают из почвы и воды только ионы SO42-.
Биологический круговорот серы
Sорг
Денитрификация
Ассимиляция
Минерализация
Восстановление
H2 S
SO42
-
Окисление
Окисление
S0, S2O32-, SO32-
• Поступление серы в атмосферу связано с природными
явлениями (вулканы) и антропогенным действием (выбросы
сернистых газов при сжигании минерального топлива).
• В атмосфере большая часть оксидов серы в течение нескольких
дней после выброса превращается в сульфаты и серную
кислоту. Ветры могут отнести эти загрязнения на сотни
километров от места их выброса.
• Выпадение кислотных дождей приводит к разрушению
материалов, повреждению растений, заболеваемости животных.
• К загрязнению водоемов растворимыми соединениями серы
приводят: смыв удобрений в гидросферу и сточные воды
предприятий химической промышленности.
• Круговорот серы
• Биологический круговорот фосфора
• Фосфор представлен фосфатами в виде неорганических
или органических соединений.
• Фосфор содержится в горных породах. При их
разрушении и эрозии, он поступает в почву, оттуда
используется растениями и микроорганизмами.
• Деятельность микроорганизмов (образование углекислого
газа или органических кислот) способствует переводу
фосфора в растворимые формы, обеспечивает его
миграцию.
• Под действием организмов-редуцентов фосфор снова
возвращается в почву. Фосфор не подвергается в клетках
микроорганизмов окислению или восстановлению.
• Часть соединений фосфора смывается дождями в реки, а
оттуда - в моря и океаны и используется водорослями. Но,
в конце концов, в составе мертвого органического
вещества он оседает на дно и снова включается в состав
горных пород.
Биологический круговорот фосфора
Ассимиляция
Р неорг
Р орг
Раств. ← Нераств
Вынос в
океан
Минерализация
• Техногенная деятельность ведет к снижению мировых
запасов фосфора.
• Миллионы тонн фосфоросодержащих пород ежегодно
добывается на удобрение, потом с водами смывается в
океан и выключается из круговорота.
• При попадании в водоемы сточных вод, содержащих
фосфаты, может наблюдаться резкое повышение их
продуктивности – эвтрофикация водоемов.
• Резко повышается количество органического вещества.
При разложении органики повышается потребление
кислорода гетеротрофами, его концентрация в воде
уменьшается, что приводит к гибели рыбы.
• 3. Типы загрязнений окружающей среды
• Под загрязнением окружающей среды понимают
процесс привнесения в окружающую среду или
возникновения в ней новых, обычно не характерных для
неё, химических, физических и биологических агентов,
оказывающих негативное воздействие.
• Источники загрязнений:
 природные
(ветровая
пыль,
лесные
пожары,
вулканический материал);
 антропогенные (производство цветных и черных
металлов; добыча полезных ископаемых; автомобильный
транспорт; химическая промышленность; производство
минеральных удобрений).
• Преобладает антропогенное загрязнение (>50-80 %).
• Типы загрязнения окружающей среды по природе
загрязнителя:
• Химическое (аэрозоли, пестициды, тяжелые металлы и
др.)
• Физическое (тепловое, шумовое, электромагнитное,
световое, радиоактивное)
• Биологическое (микробиологическое, генетическое).
• Информационное (информационный шум, ложная
информация, факторы беспокойства).
• Физическое загрязнение вызывает отклонение от нормы
физических параметров окружающей среды:
• Радиоактивное
загрязнение
–
поступление
в
окружающую среду радиоактивных веществ (отходов
разработки радиоактивных руд, аварии на атомных
электростанциях, ядерные взрывы).
• Электромагнитное загрязнение возникает около линий
электропередач высокого напряжения, из-за работы
некоторых промышленных установок, природных явлений
(магнитных бурь и др.).
• Механическое загрязнение - загрязнение среды
материалами, оказывающими механическое воздействие
без химических последствий. Может возникать при
выкапывании грунта, поступлении пыли в атмосферу,
свалке строительного мусора на земельном участке.
• Тепловое загрязнение окружающей среды – техногенное
повышение температуры относительно природного фона, в
основном за счёт сжигания ископаемого топлива. Основные
источники: выбросы в атмосферу нагретых отработанных
газов и воздуха, сброс в водоемы нагретых сточных вод.
• Шумовое загрязнение - характеризуется превышением
естественного уровня шумового фона. Характерно для
городов,
окрестностей
аэродромов,
промышленных
объектов. Негативно воздействует на человека, животных,
растения.
• Вибрационное загрязнение возникает при работе
компрессорных,
насосных
станций,
вентиляторов,
кондиционеров, турбин, лифтов, линий метрополитена,
автотрасс. Опасны резонансные явления при совпадении
частот колебаний органов
человека и внешних
вибрационных воздействий.
• Биологическое
загрязнение
совокупность
биологических компонентов, способных размножаться в
естественных или искусственных условиях, образовывать
биологически активные вещества, при попадании
продуктов их жизнедеятельности в окружающую среду
оказывать неблагоприятное действие на окружающую
среду, людей, животных, растения.
• Использование в медицине антибиотиков привело к
появлению
и
распространению
устойчивых
микроорганизмов.
Факторы естественного происхождения.
1)
Микроорганизмы-возбудители
инфекционных
заболеваний людей, животных и растений.
2) Пыльца растений (аллерген).
3) Цианобактерии и их токсины, накапливаемые при
цветении водоемов.
4) Почвенные грибы загрязняют среду микотоксинами:
5) Микроорганизмы, вызывающие порчу продуктов,
биоповреждения различных материалов (тканей, бумаги,
древесины, камня, строительных материалов).
Факторы искусственного происхождения:
1) Препараты на основе живых микроорганизмов с
природным геномом или генетически модифицированных
(вакцины, сыворотки, микробиологические средства
защиты растений, препараты кормового и технического
назначения, биопрепараты для очистки различных сред).
2) Вирусы.
3) Инактивированные клетки микроорганизмов: вакцины,
пыль сухой биомассы микроорганизмов (аллергенное
действие содержащих белки продуктов).
4) Продукты метаболизма микроорганизмов.
Источниками микроорганизмов, включая условнопатогенные и патогенные, являются сточные воды:
1) хозяйственно-фекальные,
2) городские ливневые стоки,
3) производственные (отходы пищевых, целлюлознобумажных производств).
• Химическое загрязнение - изменение естественных
химических свойств среды в результате выбросов
промышленными предприятиями, транспортом, сельским
хозяйством различных загрязнителей.
• Различаются по источникам поступления и характеру
воздействия.
• Вещества-загрязнители попадают в биосферу в процессе
природных процессов или человеческой деятельности;
• Если они образуются с большей скоростью, чем
уничтожаются, нарушается баланс веществ экосистемы.
• Особо опасные загрязняющие вещества:
• диоксид серы, оксид углерода и оксид азота (кислотные
дожди);
• тяжелые металлы, в первую очередь свинец, кадмий и
ртуть;
• канцерогенные вещества (например бензопирен);
• нефть и нефтепродукты в морях и океанах;
• хлорорганические пестициды (в сельских районах);
• радионуклиды и другие радиоактивные вещества.
• В результате хозяйственной деятельности людей
происходят:
• 1) загрязнение грунтовых вод и почв токсичными
веществами,
• 2) эвтрофикация поверхностных водоемов,
• 3) уменьшение площадей почв, пригодных для
агротехники и снижение их плодородия.
• 4) исчезновение биологических видов.
• Неблагоприятные
последствия
химического
загрязнения.
• Вещества-загрязнители широко распространены на Земле,
устойчивы к воздействию факторов окружающей среды,
их действию подвержена большая часть населения;
• Могут накапливаться в организме, включаться в пищевые
цепи или природные процессы циркуляции веществ;
• Их трансформация в окружающей среде или организме
может привести к образованию более токсичных
продуктов, чем исходное соединение;
• Неблагоприятно действуют на здоровье человека, могут
приводить к мутациям.
Основные
веществ:
антропогенные
источники
загрязняющих
― химические и фармацевтические предприятия;
― предприятия
целлюлозно-бумажной
и
печатной
промышленности (используют хлорсодержащие соединения);
― горно-добывающие и горно-обогатительные предприятия;
― сжигание углеводородного топлива (нефть и уголь) –
повышается содержание СО2 в атмосфере (парниковый эффект,
кислотные дожди и смог). Аварийные разливы нефти и
нефтепродуктов могут загрязнять значительные территории;
― интенсивное земледелие –внесение
больших количеств
химических удобрений, пестицидов, гербицидов.
• Виды загрязнения по пространственному
распределению (размеру охватываемых территорий) :
• Глобальные (фоно-биосферные)
• Региональные
• Локальные
• Точечные
• По силе и характеру воздействия на окружающую
среду
• Фоновые
• Импактные (залповые)
• Постепенно нарастающие
• Катастрофические
• Глобальные загрязнения обнаруживаются практически в
любой точке планеты. Переносятся атмосферными
потоками. Содержат оксиды углерода, серы, азота,
углеводороды и взвешенные частицы. К глобальным
относят радиоактивные загрязнения.
• Региональные загрязнения обнаруживаются в пределах
значительных территорий, но не охватывают всю планету.
• Они связаны с расширением городов, массовым
применением химических средств защиты растений
(пестициды в Молдавии и Узбекистане), атмосферными
выбросами и их переносом на большие расстояния.
• Локальные загрязнения характерны для городов,
крупных промышленных предприятий, районов добычи
полезных ископаемых, крупных животноводческих
комплексов. Распространение загрязнений определяется
географическими особенностями местности.
• Вокруг рудников наблюдается повышенное содержание
ионов тяжелых металлов; свинец обнаруживается вдоль
автострад с интенсивным движением.
• В районах нефтедобычи и нефтеперерабатывающих
заводов – загрязнение нефтяными углеводородами.
• Примером локального загрязнения атмосферы может быть
смог – облако загрязнений различного типа, который
может быть влажным (Лондон) или сухим (ЛосАнджелес).
Скачать