Экология

10. ГЛОБАЛЬНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ БИОСФЕРЫ

-Виды загрязнения биосферы;

-Ксенобиотики. Экотоксиканты. Суперэкотоксиканты;

-Глобальное загрязнение гидросферы: загрязнение Мирового океана; эвтрофикация водоемов; кислотные осадки;

-Глобальное загрязнение атмосферы: озоновые дыры; аэрозоли. Смог; «Парниковый эффект»;

-Глобальное загрязнение литосферы: деградация почвы; деградация лесов; деградация растительного и животного мира;

-Перестройка пирамиды жизни.

10.1. Виды загрязнения биосферы

Загрязнение – привнесение в окружающую среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных физико-химических и биологических веществ, агентов, оказывающих вредные воздействия на природные экосистемы и человека. Уровень загрязнений контролируется различными нормативами: ПДК, ПДС, ПДВ.

Выделяют: естественное загрязнение (извержение вулканов, лесные пожары, выветривание и пр.) – без какого-либо влияния человека; антропогенное – являющееся результатом деятельности человека).

Загрязнения делятся на следующие типы: физическое, химическое, биологическое (рис. 9.7).

Рис. 10.1. Основные типы загрязнения окружающей среды

Физическое загрязнение связано с изменением физических, тем- пературно-энергетических, волновых и радиационных параметров

3

Экология

внешней среды. Источниками теплового загрязнения являются: подземные газопроводы промпредприятий(140 – 160 ºC), теплотрассы (50 – 150 ºC), сборные коллекторы и коммуникации (35 – 45 ºC) и т.д. Это воздействие шума и электромагнитное излучение(высоковольтные линии элетропередач, электроподстанции, антенны радио- и телепередающих станций, микроволновые печи, компьютеры и радиотелефоны).

Биологическое загрязнение – случайное или связанное с деятельностью человека проникновение в экосистемы чуждых им растений, животных и микроорганизмов. Особенно загрязняют предприятия, производящие антибиотики, ферменты, вакцины, сыворотки, кормовой белок, биоконцентраты и др., т.е. предприятия промышленного биосинтеза, в выбросах которого присутствуют живые клетки микроорганизмов.

Химическое загрязнение – увеличение ко-

личества химических компонентов определенной среды, не свойственных ей или в концентрациях, превышающих норму. Наиболее опасным для экосистем и человека является химическое загрязнение различными токсикантами (аэрозоли, химические вещества, тяжелые металлы, пестициды, пластмассы, детергенты и др.). Многие химические вещества обладают канцерогенными (канцерогеном может быть веществохимикат, физический агент-радиация или биологические организмы-вирусы, способствующие возникновению или развитию злокачественных

– раковых новообразований. Большинство канцерогенов антропогенного происхождения) с мутагенными свойствами (мутация – изменения в генетическом материале организма, способные

передаваться по наследству и выражающиеся внешне в изменении физиологических, морфологических и других признаков). Среди канцерогенов опасны 200 наименований (согласно ЮНЕСКО): бензол, асбест, бенз(а)пирен, пестициды (ДДТ, элдрин, линдан и др.), тяжелые ме-

таллы (особенно ртуть, свинец, кадмий), разнообразные красители и пищевые добавки класса Е.

Среди десяти наиболее опасных веществ и факторов воздействия можно назвать тяжелые металлы (Zn, Cu, Mn, Hg, Co, Mo, Pb, Cd, As и

4

Экология

др.), летучие органические соединения, формальдегид, пестициды, побочные продукты сгорания (СО, CO2, NO2, SO2 и др.), пыль, асбест, бактерии, недостаток солнечного света, радиацию.

10.2. Ксенобиотики. Экотоксиканты. Суперэкотоксиканты.

Ксенобиотики. Особую опасность для живых орга-

низмов представляют вещества, являющиеся чужеродными для них, это такие ксенобиотики, как свинец, ртуть, кадмий, никель, радионуклиды, нефть и нефтепродукты, персистентные пестициды и гербициды типа ДДТ, 2,4,5–Т пентахлорфенола, полихлорированные бифенилы, ПАВ, токсичные отходы химических, металлургических и др. предприятий. Все эти вещества являются экотоксикантами.

Экотоксиканты – вредные химические вещества, за-

грязняющие окружающую среду и отравляющие находящиеся в ней живые организмы. Основными источниками поступления их в среду являются: предприятия химической, нефтеперерабатывающей, металлургической, деревообрабатывающей, топливной и других отраслей; различные виды транспорта (особенно автомобильный); ТЭЦ; сельскохозяйственное производство (минеральные удобрения, пестициды); АЭС. Последствия дозированного воздействия токсиканта или сочетания их, вносимых в реальные экосистемы, изучает экотоксикология – наука, возникшая на стыке экологии и токсикологии. Экотоксиканты оказывают пора-

жающее действие: канцерогенное, мутагенное, эмбритоксическое, иммунодепрессивное, тератогенное.

Канцероген – вещество (химикат), физический агент (радиация) или биологические организмы (вирусы), способствующие возникновению или развитию злокачественных новообразований. Большинство канцерогенов антропогенного происхождения(в 1990 г их число со-

5

Экология

ставило 237 веществ), это асбест, мышьяк, бензол, винилхлорид, сажа, вар, деготь, нефтяные сланцы, оксид кадмия, афлатоксины и др.

Мутаген – любой агент или фактор, вызывающий мутацию – изменения в генетическом материале организма, способные передаваться по наследству и выражающиеся внешне в изменении физиологических, морфологических и других признаков.

Тератоген – вещество, при воздействии на организм вызывающее возникновение уродств и других аномалий в его развитии.

К наиболее главным загрязнителям биосферы относят 10 экоток-

сикантов: углекислый газ, окись углерода (угарный газ), сернистый газ, оксиды азота, фосфаты, ртуть, свинец, нефть, ДДТ и другие пести-

се фотосинтеза. Образуется при сгорании всех видов топлива, пожарах, производстве цемента и т.п. Увеличение его содержания в атмосфере приводит к повышению ее температуры– потеплению климата (парниковый эффект). Нормальное содержание СО2 в атмосфере составляет 0,03 – 0,04 %. При концентрации СО2 5 % в помещении, у человека появляется повышенная утомляемость, повышается угроза удушья.

2. Оксид углерода – СО – угарный газ представляет серьезную экологическую опасность – очень ядовитый газ, без цвета и вкуса, с очень слабым запахом чеснока. Летальный исход для человека может наступить при 10-минутном вдыхании воздуха, содержащего 5,7 г/мз.

Ядовитость СО обусловлена тем, что этот оксид соединяется с гемоглобином крови, в результате чего кровь не способна переносить достаточное количество кислорода из легких к тканям. Сродство гемоглобина к оксиду углерода СО гораздо больше, чем к кислороду. Из

воздуха кровь поглощает СО и СО в равных количествах. Поэтому

2

ничтожная концентрация СО снижает способность крови воспринимать кислород и тем самым вызывает удушье. При вдыхании чистого воздуха или чистого кислорода, СО постепенно удаляется из крови. Угарный газ СО образуется в тех процессах, где существуют условия для неполного сгорания веществ, содержащих углерод, а также при взаимодействии СО2 с раскаленным углем:

2С2Н4 + 5O2 =2CO2 + 2CO + 4H2O (при недостатке кислорода), C + CO2 = 2CO.

В городах основной поставщик СО в атмосферу является автомобильный транспорт.

6

Экология

Максимальное выделение СО при работе двигателей внутреннего сгорания автомобилей приходится на режим холостого хода. Для уменьшения токсичных выбросов в выхлопных газах необходима организация безостановочного движе-ния с высокой скоростью путем строительства подземных переходов, увеличе-ния времени работы зеленого сигнала светофора на более загруженных дорогах и т..дЗначительно снижается выброс СО (до 10 раз) и повышается КПД при применении газового топлива (метан, этан, пропан), а также смесей жидких (бензин + метанол), жидкого и газообразного (водород + бензин) топлива.

В настоящее время каталитическая очистка выхлопных газов автотранспорта признана во всем мире. Она предполагает окисление СО и углеводородов до СО2 . В качестве катализаторов используются различные композиции на основе оксидов металлов(и, прежде всего оксида алюминия), содержащие небольшие количества благородных ме-

таллов (Pt, Pd, Rh и др.).

3.Сернистый газ (SO2) выделяется при сжигании топлива, переработке сырья металлургической и химической промышленности. Вызывает кислотные осадки, участвует в смогообразовании.

4.Оксиды азота образуются при взаимодействии молекулярного азота воздуха с кислорода в результате горячих выбросов ТЭЦ, запусках ракет, полетах реактивных самолетов. Они создают смог, являются причиной кислотных осадков, вызывают респираторные заболевания и бронхит у новорожденных и малышей. Способствуют чрезмерному разрастанию водной растительности (эвтрофикации).

5.Фосфаты содержатся в удобрениях, детергентах (синтетических моющих средствах), загрязняя почвы, водотоки и водоемы, приводят к эвтрофированию водоемов.

6.Ртуть – один из опасных загрязнителей пищевых продуктов,

особенно морского происхождения. Накапливается в организме и вредно действует на нервную систему.

7.Свинец в виде тетраэтилсвинца добавляется в бензин в качестве антидетонатора. Накапливаясь в организме, действует на ферментные системы и обмен веществ в живых клетках.

8.Нефть загрязняет почвы, реки, Мировой океан, вызывая гибель планктонных организмов, рыбы, морских птиц и млекопитающих. Ежегодно в Мировой океан попадает от 1,7 до 8,8 млн.т нефти. Сточные воды нефтепере-рабатывающих фабрик содержат нефть, нефтепродукты, фенолы, сернистые соединения и др. Большую опасность представляет сжигание мазута, при котором выделяется ядовитый пен-

7

Экология

таоксид ванадия. С экологической точки зрения сжигание мазута необходимо прекратить.

9.ДДТ и другие пестициды– ядохимикаты (применяемые для уничтожения насекомых, как оказалось, не только вредных, но и полезных) очень токсичны для ракообразных, убивают рыбу и организмы, служащие кормом для рыб. Многие являются канцерогенами, мутагенами.

ДДТ (гезорал, или дуст). За открытие инсектицидных свойств Паулю Мюллеру была присуждена Нобелевская премия в области физиологии и медицины. Казалось, что ДДТ принес человечеству долгожданное освобождение от малярии, желтой лихорадки, эпидемий тифа; во время второй мировой войны ДДТ использовался для борьбы с платяными вшами, после войны – в борьбе за урожай. Позже стало ясно, что результаты плачевны. ДДТ стали находить в жировой ткани человека. Считалось, что он нейтрализуется в ней и не опасен. Однако депонированный в жире ДДТ при голодании попадает в кровь. Пестициды, которые широко применялись в прошлом (ДДТ, диэлдрин, паратион), теперь усиливают размножение колорадского жука и паутинного клещика.

10.Радиация. В настоящее время радиационный фон планеты складывается из естественного фона и искусственного, связанного с деятельностью человека. Естественную радиацию образуют космическая радиация и радиоактивные элементы, содержащиеся в земных породах, в строительных материалах, в пище (земная радиация).

Естественные радионуклиды подразделяются на три группы:

1группа – радиоактивные элементы, все изотопы которых радиоактивны: уран-238, торий-232, радий-226, радон-222 и 220;

2группа – изотопы обычных элементов, обладающие радиоактивными свойствами: калий-40, рубидий-87, кальций-48, цирконий-96 и др.

3группа – радиоактивные изотопы, образующиеся в атмосфере под действие космических лучей: тритий-3, бериллий-7 и 10, углерод-14.

Характеристика наиболее важных радиоактивных веществ представлена в таблице 10.1

Таблица 10.1 Характеристика радиоактивных веществ

8

Экология

Искусственная радиоактивность обусловлена поступлением в биосферу радиоактивных изотопов, образующихся в результате атомных и термоядерных взрывов, в виде отходов атомной промышленности или в результате аварий на атомных предприятиях. Часто искусственное радиоактивное загрязнение биосферы вызывают изотопы ура-

на-235 и 238, плутония-239, йода-129 и 131, церия-144, бария-140,

стронция-90, цезия-137 и др. В экологическом отношении наибольшую опасность представляют высокоизлучаемые стронций-90 и цезий-137 с длительным периодом полураспада 28 и 33 г/ соответственно. Эти изотопы легко вступают в биологический круговорот и цепи питания. Так, цезий по химическим свойствам близок к калию и потому легко вступает в реакции живых клеток организма, стронций близок к кальцию и входит в состав костных тканей.

Искусственные радионуклиды накапливаются в верхнем слое почвы (до 80 – 90 %), так, на целине – в слое 0 – 10 см, на пашне – в пахотном горизонте. Гумусные почвы с тяжелым грансоставом накапливают изотопы больше других видов почв. По степени подвижности в почвах радионуклиды образуют ряд

Sr90> Ru106> Cs137 >Ce144 >I129 >Pu239.

Основная доля эквивалентной дозы от искусственных источников, воздействующих на человека, приходится на медицинские обследования с целью диагностики и лечения. Затем следуют ядерные испытания, радиоактивные отходы и атомные электростанции. На карте мира (рис. 10.2) показаны места захоронения радиоактивных отходов, которые становятся потенциальными источниками загрязнения радиацией, т.к. в агрессивной морской воде захороненные контейнеры со временем корродируют и возникают утечки.

9

Экология

ментов (который представляет отношение радиоактивного элемента в организме к его количеству в окружающей среде и изменяется от 1 до 200 и более). Поэтому организмы, накапливая радиоактивные элементы сами становятся токсичными.

3. содержание в окружающей среде элементов-антагонистов

(в пищевых цепях радиоизотопы могут вступать в конкурентные - от ношения с другими химическими элементами, поэтому чем меньше содержание таких элементов в окружающей среде, тем более опасны изотопы. Например, в бедной экосистеме накапливание изотопов в организме животных больше, чем в более богатой экосистеме.

10

Экология

4. вид и возраст организмов. Микроорганизмы более чувствительны к α-лучам и β-лучам, а крупные организмы – к γ-лучам. По степени устойчивости к радиации живые организмы образуют ряд: бактерии > насекомые > млекопитающие. Молодые особи более чувствительны к радиации, чем старые.

Скорость самоочищения биосферы от радиоизотопов зависит от

8-миллионное население города. Над Вьетнамом было распылено около 5 т диоксина. Последствия до сих пор сказываются на детях вьетнамцев и американцев, участвовавших в войне (уродства, мертворождение, бесплодие).

11

Экология

10.3. Глобальное загрязнение гидросферы

Загрязнение окружающей среды носит трансграничный характер. Распространение и поражение загрязняющими веществами не знает ни границ в воздухе, воде, почве, ни отдельных государств.

Огромное количество вредных веществ поступает в реки, озера, океаны, подземные воды, метеоосадки.

10.3.1. Загрязнение Мирового океана

Мировой океан интенсивно загрязняется нефтяными углеводородами, биогенными компонентами, пестицидами, тяжелыми металлами, радионуклидами. Основные пути попадания загрязняющих веществ– это прямой сброс, поступление токсикантов с речным стоком и из атмосферного воздуха, в результате уничтожения отходов в море, а также морским транспортом и во время аварий танкеров. Особую опасность представляет нефтяное загрязнение морей и океанов; 20 – 30 % поверхности Мирового океана покрыто нефтяными пленками.

Все чаще наблюдается бурное цветение водорослями в результате загрязнения вод. Этот феномен получил название «красные приливы».

Особенно интенсивно происходит загрязнение при захоронении радиоактивных отходов на дне морей и океанов, испытаниях ядерного оружия, авариях на АЭС, судах с атомными реакторами. Наиболее опасны радионуклиды цезия-137, стронция-90, церия-144, иттрия-91, ниобия-95, обладающие высокой био-аккумулирующей способностью. Они переходят по пищевым цепям и концент-рируются в морских организмах высших трофических уровней, создавая опас-ность человеку. Семипалатинский полигон, авария на Чернобыльской АЭС имеет глобальные последствия. Загрязнены воздух, вода, почва.

10.3.2. Эвтрофикация водоемов

Эвтрофикация –

повышение первичной продуктивности водоемов в результате накопления в воде биогенных элементов,

12

Экология

главным образом, азота и фосфора, а также углерода (рис. 10.3). Этот естественный процесс может быть ускорен антропогенной деятельностью. Биогенные компоненты поступают в водные экосистемы как водным, так и воздушным путем.

Основными причинами эвтрофикации водоемов являются: эрозия почвы; применение в сельском хозяйстве минеральных удобрений; использование фосфорсодер-

жащих детергентов (поверхностно-актив- ных синтетических веществ, используемых в быту и промышленности

как моющие средства и эмульгаторы; одна из основных групп веществ, загрязняющих водоемы, т.к. с трудом подвергаются разложению микроорганизмами); отходы животноводства; выбросы в атмосферу, приводящие к образованию кислотных осадков и т.д. Органическое загрязнение, обусловленное деятельностью человека, называется культурной эвтрофикацией – обогащением.

Выделяют три степени трофности водоемов:

1. дистрофные водоемы характеризуются превышением скорости деструкции органических веществ над скоростью фотосинтеза:

Vфот /Vдеструк < 1.

2.олиготрофные водоемы имеют сбалансированные скорости продукционно-деструкционных процессов: Vфот /Vдеструк ≈ 1.

3.эвтрофные водоемы характеризуются цветением водорослей и накоплением органических веществ, т.к. скорости продукции превы-

шают скорости деструкции: Vфот /Vдеструк > 1.

Выделяют также промежуточные виды трофности:

-ультраолиготрофные – между дистрофными и олиготрофными;

-мезотрофные – между олиготрофными и эвтрофными. Эвтрофикация происходит как естественным путем(сотни и ты-

сячи лет) и антропогенным (несколько лет) – в результате поступления в водоемы питательных веществ со сточными(бытовыми и промышленными) водами и поверхностным стоком, что приводит к массовому размножению микроскопических планктонных водорослей, фитопланктона и высших водных растений (рис.10.4).

13

Экология

Рис. 10.4. Процесс эвтрофикации водоема

По данным Б.Хандерсона-Селлерса и Х.Маркленда(1990) основными критериями для характеристики процесса эвтрофикации водоемов являются:

1) уменьшение концентрации растворенного кислорода в водной толще;

2)увеличение концентрации биогенных элементов (азот, фосфор,

калий);

3)увеличение содержания взвешенных частиц, особенно органического происхождения;

4)увеличение концентрации фосфора в донных отложениях;

5)уменьшение проникновения солнечного света из-за возрастания мутности воды;

6)последовательная смена популяций донных водорослей с преобладанием сине-зеленых и зеленых водорослей(выделяющих сильнейшие токсины и неприятный гнилостный запах);

7)значительное увеличение биомассы фитопланктона при уменьшении разнообразия видов.

Мероприятия по предотвращению антропогенного эвтрофирования разрабатываются в двух направлениях:

1) ограничение поступления в водоемы эвтрофирующих веществ;

2) воздействие на комплекс условий в самом водоемес целью снижения скорости развития водорослей. Ограничить поступление в водоем эвтрофирующих веществ со стоками можно отведением их за пределы водосбора или удалить биогенные вещества из воды в системе очистных сооружений.

14

Экология

Даже современные методы не всегда эффективно могут удалить азот и фосфор из стоков. Поэтому вынужденно внедряется третий этап глубокой очистки стоков. Для очистки воды от азота и фосфора можно применить: физико-химические методы (осаждение, коагуляция ионный обмен, электролиз); биологические (биоценоз активного ила: бактерии, водоросли и др.).

Основная трудность предотвращения поступления фосфора и азота в водоемы – различное поведение соединений азота и фосфора. Так, соединения азота хорошо растворимы и переходят в состав жидкого стока, а соединения фосфора плохо переходят в раствор и смешиваются с почвой. Вынос фосфора осуществляется в процессе эрозии почвы, поэтому необходимо вести борьбу с эрозией и снижать потери вносимых в почву азотных удобрений. Для предупреждения загрязнения вод минеральными удобрениями необходимо: развивать водоохранную мелиорацию; применять противоэрозионную и агротехнику; необходимо устройство прибрежных водоохранных зон.

Для устранения цветения им зарастания водоемов применяют обработку водоемов сульфатом меди, механическое удаление прибрежной растительности за пределы водосбора. Для того, чтобы фосфор не выщелачивался из донных отложений, предлагается принудительное насыщение дна кислородом(аэрацией), нанесение на дно мелкодисперсных глины, вулканической породы и др. Эти способы не получили широкого применения.

Для борьбы с цветением водоемов начали разрабатываться биологические методы, например, предлагается разведение растительноядных рыб: белого амура или толстолобика в пресноводных водоемах.

10.3.3. Кислотные осадки

Кислотные осадки – это любые метеорологические осадки: дожди, туманы, снег, уровень кислотности которых превышает норму.

Основная причина кислотных осадков– оксиды азота и серы в атмосфере.

Как видно из рис. 10.5 оксиды серы поступают в атмосферу при сжигании ископаемых видов топлива, содержащих серу. До 90 % оксидов серы выделяется при сжигании каменного угля; меньше – нефть и затем газ).

15

Экология

Рис. 10.5. Количество выбросов оксидов серы и азота от различных источников

Оксиды серы поступают в воздух при сжигании ископаемых видов топлива, содержащих серу: в первую очередь, каменного угля (до 90 %); во-вторых, нефти, затем газа. При сжигании топлива образуются также оксиды азота, в том числе при работе автомобильного транспорта. В атмосфере SO2 окисляется до SO3:

SO2 + O2 = SO3.

Образовавшаяся трехокись взаимодействует с водяным паром, образуя серную кислоту:

SO3 + Н2О = Н2SO4 .

Серная кислота присутствует в воздухе в виде легкого тумана, состоящего из мелких капель.

При сжигании топлива в атмосферу выбрасываются также оксиды кальция и железа, которые вступают в реакцию с серной кислотой, образуя твердые частички сульфатов кальция и железа:

СаО + Н2SO4 = СаSO4 + Н2O,

16

Экология

Рис. 10.6. Причины кислотных дождей

Fe2O3 + 3Н2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3Н2O.

В воздухе города может находиться до 20 % твердых частиц сульфатов и капелек серной кислоты, образующих туманы и смоги.

Выпадение кислотных дождей связано с антропогенным загрязнением атмосферы выбросами оксида азота. В природе

молекулярный азот воздуха связывается в оксиды при естественных процессах – грозах, нитрификации почвы, лесных пожарах (770 млн.т в год). В атмосфере каждый год наблюдает-

17

Экология

ся до 3 млрд. молний. Создаваемые ими высокие температуры в несколько тысяч градусов инициируют процесс окисления молекулярного азота по радикально-цепному механизму:

· О ® 2О; N2 +O ® NO + N; O2 + N ® NO + O.

Рис. 10.7. Формирование кислотных осадков (И.Т.Суравегина)

Обратной реакции препятствует быстрое охлаждение -про дукта реакции – монооксида азота, который окисляется: 2NO + O2

® 2NO2.

При взаимодействии с атмосферной влагой происходит образование азотистой и азотной кислот: 2NO2 + H2O = HNO2 + HNO3.

Эти кислоты и их соли являются причинами кислотных осадков. Причем соли могут выпадать в виде сухих частиц.

Основным источником оксидов азота являются энергетика и транспорт, дающие около 90 % выбросов; на долю химической промышленности приходится менее 5 %. Нитраты, поступающие в организм в повышенных дозах, способны повышать частоту инфекционных заболеваний, болезней кожи и подкожной клетчатки, лор-органов, ослабляют иммунитет.

В норме у дождевой воды реакция слабокислая – рН = 5,6. Кислотные свойства дождя обусловлены присутствием чрезвычайно активных ионов водорода. Это обусловлено образованием естественной слабой угольной кислоты при растворении в воде углекислого газа, содержащегося в воздухе:

18