Контрольные вопросы и задания

1.Сформулируйте закон действия независимых факторов Вильямса.

2.Какой фактор называется лимитирующим?

3.Объясните понятия «экологическая валентность» и «пластичность».

4.Какой процесс называется адаптацией? Благодаря каким свойствам живого вещества возможна адаптация?

5.Какие виды адаптации вы знаете? Приведите примеры.

13.ЧЕЛОВЕК КАК ЧАСТЬ БИОСФЕРЫ

Загрязнение окружающей среды и его последствия

На современном этапе можно выделить пять видов негативного воздействия человека на природные экосистемы:

-упрощение природных экосистем и разрыв природных биогеохимических циклов;

-рассеивание накопленной веками энергии в виде теплового загрязнения;

-накопление различных токсичных отходов, которые не могут быть переработаны естественным путем до простых минеральных соединений;

-включение в биогеохимические круговороты радиоактивных веществ;

-генетические изменения.

Загрязнением называют внесение в окружающую среду нехарактерных для нее объектов, оказание нехарактерных видов воздействий, превышение среднего содержания этих веществ (среднего уровня воздействий).

Загрязнения разделяют на механическое (ил, песок, мусор, вытаптывание травы), физическое (шумовое, электромагнитное, световое, радиационное), химическое (органическое и неорганическое) и

биологическое (бактериальное).

Г.В. Стадницкий и А.И. Родионов предложили следующую классификацию загрязнений:

•ингредиентное – внесение в среду чуждых ей веществ и микроорганизмов;

•параметрическое – изменение естественных параметров окружающей среды;

145

•биоценотическое – нарушение естественной структуры биоценозов (браконьерство, перепромысел, акклиматизация, интродукция новых видов, чуждых естественным биоценозам);

•стациально-деструктивное – разрушение среды обитания в результате строительства дорог, плотин, городов, добычи минерального сырья, вырубки леса.

Источниками загрязнения природных экосистем служат топ- ливно-энергетический комплекс, черная и цветная металлургия, химическая и нефтехимическая промышленность, транспорт, сельское и коммунально-бытовое хозяйство. Эти виды промышленного производства оказывают негативное воздействие на всех этапах промышленного цикла: добычи сырья, его перевозки, переработки, использования произведенной продукции, утилизации отходов производства.

Основные источники загрязнения атмосферы – это тепловые и атомные электростанции, котельные установки. При сжигании угля и мазута на ТЭС и в котельных выделяются огромные количества сернистого и углекислого газа, частицы золы. ТЭС, работающие на природном газе, меньше загрязняют атмосферу оксидами углерода и серы, но являются источниками выбросов оксидов азота. Атомные электростанции при нарушении штатного режима работы могут стать источником радиоактивного загрязнения. Так, в результате аварий на предприятии ПО «Маяк» в Челябинской области в 1957 г. и на Чернобыльской АЭС в 1986 г. значительно ухудшилась радиационная обстановка во многих областях европейской части России. Выброс в атмосферу большого количества долгоживущих радиоактивных изотопов привел к необходимости отселения жителей из наиболее загрязненных территорий. Часть выбросов попала в верхние слои атмосферы и воздушными потоками была перенесена на большие расстояния. Повышение радиационного фона фиксировалось в соседних с Россией государствах.

Большое количество выбросов в атмосферу производят предприятия чёрной и цветной металлургии, химические производства. В крупных городах одним из главных источников загрязнения атмосферного воздуха становится автомобильный транспорт. Сжигание бытовых и промышленных отходов также наносит вред состоянию атмосферного воздуха. Кроме образования углекислого газа при сгорании пластмасс могут образовываться токсичные соединения: диоксины и фураны.

146

Под загрязнением водоёмов понимают снижение их биосферных функций и экологического значения в результате поступления в них вредных веществ. Различают физическое, химическое, биологическое, бактериальное и механическое загрязнения. Физическое загрязнение проявляется в ухудшении органолептических свойств: цвета, прозрачности, запаха, вкуса, а также в изменении температуры воды, например при сбросе нагретых сточных вод. Химическое загрязнение – это превышение предельно допустимых концентраций в воде вредных химических соединений: солей тяжёлых металлов, нефтепродуктов, ПАВ (поверхностно-активных веществ), кислот, щелочей. Биологическое и бактериальное загрязнение проявляется в появлении в большом количестве нехарактерных для данного водоёма микроорганизмов, вирусов, бактерий. Механическое загрязнение – появление в воде нерастворимых частиц ила, песка, полимерной упаковки, древесины и т.п., то есть веществ, которые не оказывают токсического воздействия на обитателей водоёмов, но засоряют воду.

Основными источниками загрязнения поверхностных и подземных вод являются промышленные и бытовые сточные воды, атмосферные осадки, содержащие в себе компоненты газодымовых выбросов, смывы ядохимикатов и удобрений с полей, утечки нефти и нефтепродуктов.

Наиболее опасным загрязнителем воды считают нефть и нефтепродукты. Нефть может попасть в воду при авариях в процессе добычи, транспортировки. В морских экосистемах разлив нефти может вызвать гибель морских обитателей, так как нефть распределяется на поверхности воды в виде тонкой пленки и препятствует растворению кислорода в воде, отражает солнечные лучи, оказывает прямое токсическое действие. Естественное окисление и разложение нефти под влиянием температуры воздуха, воды, солнечного света, частичное растворение легких компонентов нефти в воде и их испарение способствуют самоочищению водоёмов, но для полного очищения требуется очень много времен.

Большую опасность представляет радиационное загрязнение воды, которое может произойти при сбросе вод, используемых для охлаждения на АЭС, при транспортировке и переработке радиоактивных отходов, при авариях на АЭС и судах с атомными реакторами. Поэтому захоронение радиоактивных отходов в морях и океанах, называемое дампингом, представляет собой серьёзную экологическую угрозу.

147

В бытовых сточных водах большая доля загрязнений приходится на моющие средства (детергенты, ПАВ). Эти вещества практически не разлагаются естественным путем, в воде образуют пену, которая препятствует проникновению солнечных лучей к водной растительности, нарушается процесс фотосинтеза. Кроме этого, ПАВ оказывают раздражающее и токсическое действие на обитателей водоёмов, вызывают заболевания и гибель.

Поступление в водоёмы соединений азота и фосфора, сброс нагретой воды вызывают бурный рост водорослей, фитопланктона, которые активно потребляют кислород, растворённый в воде. Начинается гниение остатков водной растительности, вода приобретает тёмный цвет, неприятный запах, становится непригодной для использования. Такой процесс называется эвтрофикацией (цветением) водоёмов. В ходе сукцессии, вызванной эвтрофикацией водоёмов, первыми гибнут раки, так как они наиболее чувствительны к недостатку кислорода в воде.

Человек в результате своей хозяйственной деятельности оказывает негативное воздействие на почву. Отчуждая с полей урожай (зерно, корнеплоды, овощи и т.п.), человек нарушает естественный биотический круговорот, разрывает сложившиеся трофические цепи, нарушает способность почвы к саморегуляции, снижает её плодородие.

Агроэкосистемы в отличие от естественных биогеоценозов отличаются пониженной устойчивостью, так как в них сведено до минимума биологическое разнообразие, упрощены связи между компонентами экосистемы. Агроэкосистемы относятся к субсидированным системам, так как для поддержания их устойчивости требуется дополнительный приток энергии, питательных веществ и т.п.

Можно выделить следующие виды антропогенного воздействия на почвы:

1)ветровая и водная эрозии;

2)загрязнение;

3)вторичное засоление и заболачивание;

4)опустынивание;

5)отчуждение земель для промышленного и коммунального строительства.

Эрозия почв, разрушение верхнего слоя, рост оврагов приводят

кснижению плодородия почвы.

Основными загрязнителями почв являются пестициды, минеральные удобрения, отходы и отбросы производства, оседающие из

148

атмосферного воздуха твёрдые компоненты газодымовых выбросов, нефть и нефтепродукты.

Вторичное засоление почвы происходит при неумеренном поливе орошаемых земель в засушливых районах. Заболачивание почв наблюдается в сильно переувлажненных районах, в зонах вечной мерзлоты. Заболачивание ухудшает агрономические свойства почв, снижает производительность лесов.

Опустынивание – одно из глобальных проявлений деградации почв. При этом происходят необратимые изменения почвы, снижение её биологической продуктивности, что может привести к превращению территории в пустыню. К опустыниванию приводят такие виды антропогенной деятельности, как вырубка лесов, перевыпас скота, интенсивная распашка, выдувание почв, засоление, нерациональное водопользование, снижение уровня грунтовых вод, выжигание прошлогодней сухой травы.

Почвенный покров разрушается при отчуждении земель для нужд несельскохозяйственного использования: строительства промышленных объектов, городов, дорог, трубопроводов, добыче полезных ископаемых и т.п.

Загрязнение компонентов окружающей среды негативно сказывается на здоровье человека. Повышенное содержание в воздухе угарного газа (оксида углерода II) препятствует нормальному переносу кислорода гемоглобином в организме человека, что снижает умственную работоспособность, замедляет рефлексы, а в тяжелых случаях приводит к удушью и смерти. Содержание в воздухе оксидов серы и азота приводит к обострению заболеваний дыхательных путей (респираторные заболевания, астма, бронхит, пневмония), влияет на работу сердечно-сосудистой системы. Вдыхание человеком сажи, полиароматических углеводородов приводит к развитию онкологических заболеваний. Повышенная запыленность воздуха вызывает опасное заболевание лёгких – силикоз.

Попадание в организм человека вместе с водой или продуктами питания тяжелых металлов приводит к серьезным нарушениям здоровья человека и его потомков. Соединение ртути (метилртуть) вызывает нервные расстройства (болезнь Минамата), нарушение функций желу- дочно-кишечного тракта, печени, почек. Соединения мышьяка вызывают периферические невриты, онкологические заболевания, выпадение волос. Соединения свинца вызывают разрушение костных тканей, нарушения деятельности нервной системы и почек, снижение умст-

149

венных способностей у детей. Избыток соединений меди в организме человека приводит к органическим изменениям в тканях, распаду костной ткани, гепатиту. Соли кадмия вызывают цирроз печени, нарушение функции почек, деятельности периферической нервной системы и паралич (болезнь «итай – итай»). Все тяжелые металлы способны накапливаться в организме, что приводит к серьезным заболеваниям.

Одним из наиболее опасных загрязнителей окружающей среды органического происхождения является диоксин (полихлорпроизводное дибензолдиоксина). Это соединение может вызвать у человека ненаследуемое нарушение внутриутробного развития, которое является следствием тератогенного эффекта этого соединения. Кроме того, это вещество вызывает понижение иммунитета, так называемый диоксиновый СПИД.

Не менее опасны для здоровья человека и пестициды – вещества, применяемые для борьбы с вредителями растений, сорняками, грибковыми болезнями. При попадании в организм человека эти вещества поражают нервную систему, внутренние органы. Они обладают мутагенным (вызывают мутации, изменения в строении генов) и канцерогенным (вызывают рост злокачественных опухолей) эффектами.

На здоровье человека негативное влияние оказывают и различные физические воздействия. Самое опасное воздействие – это радиация, так как она нарушает функционирование основных систем организма. В зависимости от интенсивности воздействия радиации могут наблюдаться не только близкие, но и отдаленные последствия.

Электромагнитные излучения вызывают нарушение состояния сердечно-сосудистой системы, утомляемость и психические расстройства. Это происходит из-за нарушения функционирования эндокринной системы и головного мозга. Шумовое воздействие на человека приводит к нарушению функций слуха и расстройствам нервной системы.

Нитраты содержатся в любых наземных и водных экосистемах, так как процесс нитрификации носит всеобщий характер. Нитрифицирующие микроорганизмы превращают атмосферный азот в нитриты и нитраты, доступные для растений. Применение человеком в больших масштабах азотных удобрений приводит не только к их накоплению в растениях, но и к загрязнению поверхностных и грунтовых вод нитратами. Растения в разной степени способны к накоплению нитратов. В табл. 17 приведено среднее и предельно допустимое содержание нитратов в разных видах сельскохозяйственной продукции.

150

Накопителями нитратов являются овощи семейства тыквенных, капустных, сельдерейных. Наибольшее количество нитратов содержится в листовых овощах: петрушке, укропе, наименьшее – в томатах, баклажанах, чесноке, зелёном горошке, винограде, яблоках.

Среди сортов одного и того же растения также существуют значительные отличия в количестве накопленных нитратов.

Таблица 17

Содержание нитратов в сельскохозяйственной продукции и их предельно допустимые количества (мг/кг сырой массы по NO3-)

Так, сорта моркови «Шантане», «Пионер» отличаются низким содержание нитратов, а «Нантская» и «Лосиноостровская» – высоким. Зимние сорта капусты меньше накапливают нитраты, чем летние.

Наибольшее количество нитратов содержится в сосущих и проводящих органах растений – корнях, черешках, стеблях, жилках листьев. Например, у капусты верхние листья кочана содержат в два раза больше нитратов, чем внутренние. В жилках листа и кочерыжке содержание нитратов в 2 – 3 раза больше, чем в листовой пластине.

151

У кабачков и огурцов содержание нитратов снижается от плодоножки

кверхушке.

Врезультате использования в пищу продуктов с повышенным содержанием нитратов человек может заболеть метгемоглобинемией. В результате этого в организме человека нарушается процесс превращения метгемоглобина в гемоглобин. Метгемоглобин накапливается, но он не может осуществлять транспортную функцию по переносу кислорода к различным органам. Человек страдает от кислородной недостаточности.

Накопление избыточного количества нитратов в желудочнокишечном тракте приводит к превращению их в нитриты, которые оказывают токсичное действие на человека. Более того, нитриты могут превращаться в нитрозоамины – сильные канцерогены, вызывающие развитие онкологических заболеваний.

Содержание нитратов в сельскохозяйственной продукции можно уменьшить вымачиванием, кипячением, удалением тех частей, в которых больше всего содержится нитратов.

По данным ВОЗ (Всемирной организации здравоохранения), допустимые нормы нитратов составляют 5 мг/кг массы взрослого человека в сутки.

Лабораторная работа № 18

Определение загрязнения пищевых продуктов нитратами

Цель работы: оценить степень безопасности для человека употребления в пищу продуктов, содержащих нитраты.

Оборудование и материалы: ступки малые с пестиками; предметные стекла; марлевые салфетки; пробирки с пробками; пипетки химические на 5 см3; пипетки медицинские; скальпели; 1%-ный раствор дифениламина в концентрированной H2SO4; стандартный раствор NaNO3 для построения градуировочного графика; дистиллированная вода; термостойкий химический стакан объёмом 0,5 – 1 дм3; электроплитка; части различных овощей, содержащие наибольшее количество нитратов с неокрашенным соком (капуста, огурцы, кабачки, картофель, дыня, арбуз и др.).

152

Ход работы

Принесенные на занятие студентами различные овощи следует вымыть и обсушить. В одну из пробирок налить 10 см3 стандартного раствора NaNO3, концентрация этого раствора должна соответствовать максимальному содержанию нитратов в овощах (см. табл. 17) – 3000 мг/кг.

Для полуколичественной оценки содержания нитратов в различных частях растения можно брать сок из различных частей растения (часть, примыкающая к плодоножке, кожура, срединная часть, кочерыжка и т.п.). Части растения мелко режутся ножом, быстро растираются в ступке. Сок отжимается через 2 – 3 слоя марли.

Серия стандартных растворов нитратов готовится путем разбавления пополам предыдущего раствора. Например, 10 см3 стандартного раствора в мерном цилиндре смешивают с 10 см3 дистиллированной воды. Из полученных 20 см3 раствора с содержанием нитратов 1500 мг/кг 10 см3 раствора переливают во вторую пробирку. К оставшимся 10 см3 раствора добавляют еще 10 см3 дистиллированной воды, получают, таким образом, 20 см3 раствора с содержанием 750 мг/кг. Процедуру повторяют, получая растворы с содержанием

375, 188, 94, 46 и 23 мг/кг нитратов.

Дифениламин в концентрированной серной кислоте способен окислять нитраты, в результате чего появляется интенсивное синее окрашивание:

C6H5-NH-C6H5 + H2SO4(к) + HNO3 → [C6H5N=C6H4=C6H4=NHC6H5]OSO3H.

На предметное стекло, под которое подложен лист белой бумаги, наносят по очереди по две капли полученных стандартных растворов, добавляют по две капли раствора дифениламина в серной кислоте. Рассматривают окраску и записывают в табл. 18.

Для анализа на чистое предметное стекло, под которое подложен лист белой бумаги, по очереди наносят по две капли отжатого раствора исследуемых овощей, добавляют две капли раствора дифениламина в серной кислоте. Сравнивают полученную окраску пятна с результатами, полученными при использовании стандартных растворов. Содержание нитратов в соке растения принимают равным тому, окраска которого ближе всего к окраске исследуемого раствора.

Затем часть исследуемых овощей погружают в горячую воду в термостойком стакане, нагревают её до кипения и кипятят 10 – 15 ми-

153

нут. После этого части растений извлекают, измельчают, отжимают сок и анализируют, как описано выше.

Таблица 18

Окраска стандартного раствора с дифениламином в зависимости от содержания в нём нитрат-ионов

Сравнивают содержание нитратов в различных частях растения до и после варки. Делают вывод по работе.

Контрольные вопросы и задания

1.Что называют загрязнением? Какие виды загрязнения вы знаете?

2.Назовите самые распространенные и опасные загрязнители атмосферного воздуха.

3.Какие наиболее опасные загрязняющие гидросферу вещества вам известны?

4.Чем опасно наличие загрязняющих веществ в почве? Какие почвенные загрязнители представляют наибольшую опасность?

5.Поясните механизм попадания загрязняющих веществ из почвы в организм человека.

6.Какую опасность представляют для человека нитраты?

154