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).
