4. Почва, удобрения, пестициды и наше здоровье

Эколого-химическая характеристика качества почвы опреде­ляется следующими показателями, важными для практического использования:

• общее содержание органических соединений (гумуса);

• содержание азота (аммонийного, нитратного, входящего в органические соединения);

• содержание «связанной» угольной кислоты (прежде всего кар­бонатов кальция и магния);

• содержание питательных для растения элементов (кальция, магния, калия, фосфора и т.д.) с учетом их биологического усво­ения;

• содержание микроэлементов;

• фракционный состав;

• показатель рН;

• влагоемкость, гигроскопичность, объем пор и некоторые дру­гие.

Одним из важных факторов антропогенного воздействия на почвенные экосистемы является применение минеральных удоб­рений. С ними часто связывают успехи современного сельского хозяйства.

Минеральные удобрения обычно подразделяют на азот­ные, фосфорные, калийные и смешанного типа (сложные).

К азотным удобрениям относятся: калийная KNO₃, натриевая NaNO₃, аммиачная NH₄NO₃ и кальциевая Ca(NO₃)₂ селитра, т.е. нитраты, а также сульфат аммония (NH₄)₂SO₄.

К фосфорным: суперфосфат — смесь CaSO₄ и Са(Н₂РО₄)₂, двой­ной суперфосфат Са(Н₂РО₄)₂, преципитат СаНРО₄ ·2Н₂О, фосфо­ритная мука Са₃(РО₄)₂.

К калийным: поташ К₂СО₃ (входит в состав древесной золы), калийная селитра KNO₃, а также смешанные хлориды — сильви­нит КС1 • NaCl, карналлит КС1 • MgCl₂ • 6Н₂О.

К удобрениям смешанного типа относятся: аммофос — смесь NH₄H₂PO₄ и (NH₄)₂HPO₄; калийная селитра KNO₃; нитрофоска — смесь (NH₄)₂HPO₄, NH₄NO₃, KC1 или K₂SO₄.

Почва, на которой выращивают растения, кроме макроэле­ментов (N, Р, К, S, Mg, Ca) должна содержать микроэлементы (Zn, Mn, В, Мо, Со и др.). Такой элемент, как железо особенно необходим для тропических и субтропических растений.

Под плодородием почвы понимают свойство почвы удовлетво­рять потребности растений в элементах питания и воде, снабжать корневые системы необходимым количеством воздуха и тепла. Для произрастания растений почва должна содержать биогенные эле­менты: N, Р, К, которые и входят в состав минеральных удобре­ний. Желательное соотношение элементов N: Р: К в удобрениях изменяется в пределах от 1: 1: 1 до 1: 2: 2,5. Внесение удобрений — необходимое условие ведения современного сельского хозяйства. Около 2/3 урожая сельскохозяйственной продукции человек ис­пользует для своих нужд. В итоге в почву возвращается меньше биогенных элементов, чем было накоплено биомассой растений. Следовательно, в идеале для сохранности почвенных экосистем на поля необходимо вносить количество биогенных элементов, эквивалентное количеству изымаемых из почвы. В действительно­сти это условие выполнить достаточно трудно.

Известно, что далеко не все количество вносимых в почву удоб­рений достигает растений. Значительная часть удобрений теряется, попадает в водные объекты, в атмосферу, внося тем самым дополнительные загрязнения в окружающую человека среду. Но возможно и повышенное содержание удобрений в почве. Рассмотрим эту ситуацию на примере азотных и фосфорных удобрений.

Хорошо известно, что азот необходим для образования новых клеток, синтеза белков, ферментов, хлорофилла. Резкое увеличе­ние и практически неконтролируемое применение азотных удоб­рений привело в ряде регионов планеты к нарушению природно­го естественного баланса по азоту. Повышение содержания нитра­тов в почве и соответственно в растениях, овощах и фруктах, питьевой воде может приводить к следующим отрицательным по­следствиям.

При накоплении нитратов в почве, особенно при использова­нии аммиачных форм азотных удобрений, происходит потеря гу­муса, возрастает его минерализация, изменяются микробиологи­ческие свойства почвы.

Чрезмерное применение азотных удобрений с учетом их по­следующей трансформации вызывает повышение содержания N₂O в атмосфере. Газообразные потери азота за счет денитрификации составляют 24 % суммарного количества азота, введенного на поля.

Накопление нитратов в почве приводит к повышенному со­держанию нитратов и нитритов в овощах и фруктах. В организме человека нитрат-ионы восстанавливаются до нитрит-ионов, спо­собствуя переводу гемоглобина в метгемоглобин (первый содер­жит двухвалентное железо, второй — трехвалентное). Метгемо­глобин в отличие от гемоглобина не способен транспортировать кислород. При увеличении в крови содержания метгемоглобина сначала появляются признаки удушья и цианоза (синюшность), а при дальнейшем повышении — увеличение сердечной недоста­точности и смерть.

В ЖКТ человека нитриты в кислой среде могут реагировать с аминами, образуя нитрозамины, представляющие канцерогенные вещества. Считают, что не менее 5 % злокачественных опухолей возникает из-за повышенного содержания нитритов и нитратов в пище.

Суточное потребление нитратов не должно превышать 200 мг/ л, нитритов — 20 мг/л. Следует знать правило: где есть нитраты, там могут быть и нитриты.

Большинство фосфорных удобрений в отличие от азотных пло­хо растворимы в воде. Фосфаты малоподвижны в почвенной сре­де, и, как следствие, эффективность их использования меньше, чем азотных удобрений. Лишь малая доля фосфора из фосфорных удобрений усваивается растениями. Значительная часть фосфор­ных удобрений в конечном итоге попадает в водоемы, способствуя цветению воды, которое часто называют биологическим за­грязнением гидросферы.

Избыток фосфора, внесенный в почву в виде фосфорных удоб­рений, как правило, нетоксичен для живых организмов. Однако при использовании фосфорных удобрений в почве накапливают­ся нежелательные соединения мышьяка, фтора и некоторые дру­гие, которые содержатся в фосфорных удобрениях в виде приме­сей.

Таким образом, в процессе обработки почвы уменьшается со­держание в ней гумуса и минеральных веществ. Поэтому для вос­полнения их потерь в обрабатываемые земли необходимо вносить как минеральные, так и органические удобрения. Но как, когда, в каком виде и сколько? Перспективными являются удобрения, об­ладающие пролонгированным действием (способностью постепен­но отдавать в почву питательные вещества). С этих же позиций перспективно микрокапсулирование удобрений, заключающееся в по­крытии каждой гранулы (капсулы) тонкой полимерной пленкой, постепенно пропускающей в почву содержащиеся в грануле ве­щества.

С точки зрения здоровья человека большую проблему для него кроме удобрений представляют химические средства защиты ра­стений. К таким средствам в первую очередь относят пестициды, которые все без исключения являются ядами широкого спектра действия.

Обычно пестициды подразделяют на инсектициды — химиче­ские средства для борьбы с вредными насекомыми, фунгициды — с грибковыми заболеваниями растений, гербициды — химические вещества, применяемые для избирательного или полного уничто­жения растительности.

Установлено, что до 97 —99 % инсектицидов и фунгицидов, а также от 60 до 95 % гербицидов даже при строгом соблюдении всех правил попадают в почву, воздух и водоемы. Накапливаясь в окружающей среде, они по пищевым цепочкам в природных эко­системах могут многократно увеличивать свою концентрацию в ряде организмов растительного и животного происхождения. На­пример, в тканях некоторых рыб и птиц их концентрация дости­гала значений в десятки и даже сотни тысяч раз больших, чем в начале пищевой цепи.

В мире ежегодно регистрируется около полумиллиона случаев отравления людей пестицидами. Поэтому перед тем как использо­вать удобрения или пестициды, например на своем участке, не­обходимо не только узнать их химический состав, но и на основе полученной информации решить — когда, в каком виде и каких количествах их применять, нет ли им заменителей и т.д. Помните: «Познание без размышления — бессмысленно. Размышление без познания — опасно».

Контрольные вопросы

Что такое земная кора, литосфера, литобиосфера? Какие основные элементы входят в состав земной коры? Что такое минералы? Какими минералами образована земная кора? Приведите примеры химических реакций образования силикатов и алюмосиликатов кальция и магния. Какие компоненты (органические и неорганические) входят в со­став почв? Какие химические процессы происходят в литосфере? Приведите примеры химических реакций в почвах, протекающих с участием микроорганизмов (денитрификации, нитрофикации, сульфофикации). Какие опасности представляет повышение содержания нитратов и фосфатов в почве? Что такое эрозия и засоление почв? Какие соли наиболее вредны для растений? Назовите по международной или систематической номенклатуре химические соединения, входящие в состав удобрений. Что можно сделать для уменьшения негативного влияния удобре­ний и пестицидов на человека?

Тема № 7 Химико-экологические проблемы биосферы

План

1. Биосфера – особенная оболочка планеты.

2. Состав биосферы.

3. Процессы в биосфере.

4. Внешняя, внутренняя и духовная среда человека.

1. Биосфера – особенная оболочка планеты.

В результате длительных процессов, происходящих на Земле, она приобрела современное строение. Вокруг тяжелого ядра пла­неты в конечном итоге сформировались литосфера, гидросфера, атмосфера и особая оболочка планеты — биосфера (биота). Осо­бая, потому что является не только областью распространения жизни, ограниченной физико-химическими условиями, необхо­димыми для существования организмов, но и производной жиз­ни. По мнению выдающегося русского ученого В. И. Вернадского, основным признаком биосферы является массовое участие орга­низмов во всех протекающих в ней процессах. Именно для сово­купности организмов В.И.Вернадский ввел понятие живого ве­щества, определил его массу, описал химический состав, энер­гию. Он первым пришел к заключению, что на нашей планете нет более действенной и могущественной силы, чем совокупность всех живых организмов. Примером действия такой силы может слу­жить атмосфера, состав которой по ряду компонентов почти пол­ностью создан живым веществом. В качестве другого примера на­помним, что практически вся вода атмосферы и гидросферы в конечном итоге проходит через живое вещество. Таким обра­зом, живое вещество планеты реально определяет не только все основные химические и физико-химические закономерности, наблюдаемые в биосфере, но и ее специфическую динамиче­скую структуру и организованность. Из работ В. И. Вернадского и его последователей понятно, что, изучая огромное влияние живого вещества на характер и процессы химических превра­щений в биосфере, нельзя не сделать вывод о взаимной связи в ней живого и неживого. Иначе говоря, не только совокупность организмов приспособлена к среде своего существования, но и среда приспособлена к организмам. Постоянный обмен веще­ством и энергией между организмом и средой осуществляется через размножение — главное и основное свойство жизни. При этом следует особо подчеркнуть, что постоянный темп размно­жения живого вещества задается и определяется устойчивостью основных химических процессов, протекающих в земной коре и других оболочках планеты. Нарушение устойчивости привело бы к изменению основных установившихся циклов химических превращений на Земле со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями.

Используя данные В.И.Вернадского, Э.Бауэра, В.И.Шило­вой, Р.Маргалефа и других исследователей, обобщим некоторые особенности биосферы нашей планеты.

1. Биосфера Земли — закономерный продукт эволюции нашей планеты.

2. Биосфера Земли — большая (глобальная) открытая система, у которой вход — поток солнечного излучения, выход — минера­лы (вещества), образовавшиеся в процессе жизнедеятельности организмов и выпавшие из биогеохимических циклов (биогеохи­мического круговорота); например, уголь, торф, нефть, горючие сланцы и т. п.

3. Биосферу Земли можно рассматривать как кибернетическую систему, обладающую свойством саморегулирования, что обес­печивается живыми организмами. Примером может служить прак­тически постоянный солевой состав Мирового океана, хотя реки ежегодно несут в него значительное количество разных химиче­ских соединений, в том числе около 2,5 млн т карбоната кальция.

4. Огромное внутреннее разнообразие биосферы определяет ее устойчивость, обеспечивающую блокирование (нейтрализацию) внешних и внутренних возмущений вплоть до возмущений, нося­щих катастрофический характер.

5. Биосферу как особую динамическую систему отличает нерав­новесность, определяемая принципом Бауэра (принципом устой­чивого неравновесия живых систем).

6. Биосфера — это не тонкая непрерывная «пленка» живого вещества планеты, а единая сложная организация, созданная сооб­ществами дискретных организмов.

7. Оводненность биосферы — еще одна из ее отличительных осо­бенностей. В биосфере практически нет воды без жизни (исключе­ние — воды вулканов и некоторые рассолы) и, что более понят­но, жизни без воды.

8. Химические процессы в биосфере протекают либо при не­ посредственном участии живых организмов, либо в среде, физи­ко-химические свойства которой в значительной мере определя­ются деятельностью различных организмов на протяжении дли­тельного времени геологической истории Земли. Например, кис­лород атмосферы, являющийся продуктом фотосинтеза, обнов­ляется при участии хлорофилла растений каждые 2 тыс. лет.

9. Биосфера способна к эволюции, к переходу в высшую ста­дию развития, называемую ноосферой — сферой разума.

Таким образом, биосфера — особая оболочка планеты, пред­ставляющая природное, внутренне противоречивое единство, необратимо действующую глобальную систему, сложившуюся на основе причинно-следственных связей в ходе геологического времени. Сегодня достаточно уверенно можно полагать, что биосфе­ра является единственным естественным местом обитания челове­ка и других живых организмов. Из воззрений В. И. Вернадского и других ученых объективно следует закон незаменимости биосферы: биосфера — единственная система, обеспечивающая устойчивость среды обитания при любых возникающих возмущениях. Так было, так пока есть, но будет ли так в будущем — зависит от жителей планеты Земля.