Литература(1) / Зверев В.Л. -Экология России проблемы природопользования и среды обитания , краеведение и учебные

141

Концентрации кислотных оксидов в атмосфере промышленных зон на 1-2

порядка выше, чем в геохимически чистых районах, причем повышенные концентрации этих загрязнителей наблюдаются даже на расстоянии в сотни и тысячи километров от источника загрязнения /Табл.6.1.2. /.

Таблица 6.1.2.

Концентрации соединений серы и азота в различных атмосферных

условиях, мкг/мз.

В геохимически чистых зонах основной вклад в кислотность атмосферных осадков вносит углекислый газ - СО2 /80%/, а сумма сульфатов и нитратов составляет всего 10%. В промышленных районах наблюдается совершенно другое соотношение: 60% кислотности атмосферных осадков обусловлено Н2SО4, 30% -

НNO3, 5% - НСl и только 2% создается растворением СО2. Азотистые и

142

сернистые соединения обладают высокой миграционной способностью. Обычно вблизи источника загрязнения остается только 20% азотистых и сернистых соединений, а большая их часть /80%/ уносится в дальний атмосферный перенос за сотни и тысячи километров. Причем максимальная концентрация серной кислоты в атмосфере достигается на расстоянии 250 км от источника загрязнения.

Ощутимое влияние загрязнения проявляется за 2000 км от источника выброса.

В период 1960-65гг. во время интенсивного ввода в эксплуатацию высоких дымовых труб в Центральной Европе и Великобритании произошло наибольшее закисление осадков в Скандинавских странах. Всего за 30 последних лет там увеличилась концентрация свободных ионов водорода, в среднем, в 10 раз, а для отдельных пунктов в 100-200 раз. Особенность ситуации в том, что такая картина наблюдается и в Норвегии, которая не выбрасывает в атмосферу сернистых соединений, используя, в основном, гидроэнергетические ресурсы. Однако территория Норвегии представляет орографическую ловушку для облачных масс,

загрязненных промышленными выбросами в Центральной Европе и Великобритании. В отдельных пунктах южной части Норвегии средние многолетние значения рН составляют 4,1.

В Европе существует ярковыраженный очаг закисления, охватывающий север Германии, Нидерланды, юг Норвегии, и Швеции, где в атмосферных осадках, средние значения рН = 4,1-4,3.

Предельно допустимые концентрации /ПДК/ в атмосфере населенных пунктов составляют в мг/м3 для N02 — 0,085, для SО2 - 0,5/ Повышенные концентрации сернистого газа в атмосферном воздухе приводят к увеличению респираторных и аллергических заболеваний, бронхитов, астмы, особенно у

143

детей.

Токсичность сернистых соединений сказывается на растительности и почве. Сернистый газ отрицательно влияет на физиологию растений, где наиболее важно нарушение клеточной проницаемости, ионного баланса, фотосинтеза и т.д.

Под действием сернистого загрязнения снижается устойчивость растений к морозам, засухам и болезням. Постоянный выброс больших, количеств сернистого, газа в атмосферу приводит к уничтожению окрестной растительности. Завод черной металлургии в Садбери, штат Онтарио,

выбрасывающий 6000т SО2 в сутки, полностью уничтожил растительность в 30-

километровой зоне вокруг.

Кислотные дожди вызывают закисление почв. Оптимальные почвенные-

условия для большинства растений находятся в пределах рН=5-7. Падение величины рН ниже 5 приводит к ухудшению свойств и уменьшению плодородия почвы. Кислотность почвы определяет доступность питательных веществ и плодородие. При закислении уменьшается скорость разложения органического вещества, замедляется его круговорот, снижается продуктивность азотфиксирующих бактерий и поступление азота в растения, нарушается углеводно-белковый обмен. Фосфор и кальций связываются в труднорастворимую форму, возникает их дефицит, при одновременном переходе,

из обменной фазы в водно-растворимую Mn, Co, Zn, Fe, Al. Ситуация с подвижностью микроэлементов усугубляется тем обстоятельством, что наряду с сульфатами и нитратами обычными спутниками кислотных дождей являются As , Cu, Zn.

При величине рН=3 почва становится практически бесплодной, не

144

способной выращивать растительность. Разумеется, в наибольшей степени закислению подвержены почвы, подвергающиеся естественному закислению К таким почвам принадлежат широко распространенные кислые подзолы лесных районов Северной Европы с рН=4-5. В России кислотные дожди случаются на Урале, в Карелии, вокруг Санкт-Петербурга и Москвы. В столичном регионе наблюдается устойчивое кислотное загрязнения атмосферных осадков в холодное время года. Зона закисления охватывает запад и север Московской области,

занимая 33-45% ее территории.

Всвязи с обширным распространением кислотного загрязнения атмосферы

в1979 г. в Женеве по инициативе СССР была подписана международная

"Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха", вступившая в силу в 1983

году. Одновременно была принята "Совместная программа наблюдения и оценки распространения загрязняющих воздух веществ на большие настояния в Европе

/ЕМЕП/", в которой приняли участие 28 европейских стран, а также США и Канада. Таким образом, было оформлено региональное соглашение, где стороны приняли совместные обязательства, по борьбе с загрязнением атмосферы и дальним переносом загрязняющих веществ.

6.3. Атмосферный озон.

В тропосфере находится 10%, а в стратосфере 90% атмосферного озона.

Антропогенное влияние в последние десятилетия устойчиво увеличивает на 1-2%

в год содержание тропосферного озона в северном полушарии. В то же время наблюдается большая неоднородность в пространственном распределении озона.

В городах концентрация озона нередко падает ниже среднефонового уровня

145

геохимически чистых районов, а в определенных условиях значительно увеличивается. Например, в лос-анджелесском фотохимическом смоге концентрация озона в 20 раз выше фонового уровня. Основным источником озона, в городах служат выхлопы бензиновых двигателей, загрязняющих атмосферу оксидами азота, которые участвуют в газофазных фотохимических реакциях:

Озон токсичен для человека и микроорганизмов, а также является сильным окислителем, поэтому изменение его естественного баланса имеет отрицательное значений для биосферы. Еще более серьезные экологические последствия могут быть связаны с антропогенным разрушением стратосферного озона.

Наибольшую опасность для стратосферного озонового слоя представляет поступление в атмосферу хлорфторуглеродов /фреонов/ и галогенов. Фреоны широко используются как хладоагенты, растворители при производстве полиуретановых материалов, а также в быту для распыления лаков, красок,

медикаментов в аэрозольных упаковках. Мировое производство фреонов в 1988

году превысило 1млн. т. Наибольшие количества фреонов производятся в странах ЕЭС - 520 тыс. т. / 40%/, в США - 455 тыс.т /35%/, в Японии - 130 тыс.т. /10%/.

Поднимаясь в стратосферу фреоны под действием ультрафиолетовой радиации освобождают атомы хлора или фтора, каталитически разрушающие озон в газофазных реакциях. При разрушении стратосферного озонового слоя прямо пропорционально его уменьшению возрастает ультрафиолетовая радиация,

которая вызывает у человека рак кожи, снижает продуктивность сельскохозяйственного производства и Мирового океана, приводит к гибели

146

отдельных видов микроорганизмов.

Модельные расчеты показывают, что при дальнейшем, неконтролируемом росте выбросов этих соединений в атмосферу к середине следующего столетия может произойти существенное истощение озонового слоя Земли. При этом ожидается, что общее содержание озона в средних широтах северного полушария уменьшится на 4-8%, а в полярных районах Арктики и Антарктики на 12-15% от современного уровня. Однако, уже сейчас в полярных районах озоновый слой в весенние месяцы регулярно уменьшается на 30% и более.

Эффект весеннего уменьшения концентрации стратосферного озона над Антарктидой получил широкую известность в 1985 году, когда истощение озонового слоя одновременно зафиксировали британская и японская антарктические станции. Наиболее сильное уменьшение концентрации озона наблюдалось антарктической весной /сентябрь-ноябрь/ 1987, 1989, 1990 годов,

когда его количество уменьшилось почти в три раза. Значительно меньше, на

30% упала концентрация озона в 1988 году, зато область истощения переместилась из безлюдной Антарктики в Австралию. Наблюдаемый эффект получил название "'озоновой дыры".

"Озоновая дыра" свидетельствовала о необходимости развития научных исследований по изучению озоносферы и о необходимости срочного осуществления защитных мер. В марте 1985 года была принята Венская конвенция об охране озонового слоя, подписанная и СССР. В 1987 году был принят при участии СССР Монреальский протокол к Венской конвенции по веществам, разрушающим озоновый слой, вступивший в силу 1 января 1989 года.

Протокол предусматривает обязательства стран - участниц о поэтапном

147

сокращении производства и потребления хлорфторуглеродов. Венской конвенцией предусмотрено организовать научные исследования озоносферы.

В 1990 году в Лондоне состоялась международная конференция стран-

участниц Монреальского протокола. Решениями лондонской конференции усилены и расширены ограничения на производство и использование озоноразрушающих галогеноуглеводородных соединений. К 2000 году производство и использование всех фреонов с высокой озоноразрушающей способностью должно быть прекращено полностью. Такие согласованные действия многих стран по охране озонного слоя и чистоты атмосферы служат достойным примером усилий международного сообщества в решении глобальных экологических проблем.

Вопросы и задания.

1.Когда и где возникла приоритетная экологическая проблема кислотных дождей? 2.Назовите кислотные оксиды, вызывающие закисление атмосферных осадков в промышленных районах.

3.На каком расстоянии от источника загрязнения сказывается влияние кислотных дождей.

4.Чем отличается экологическое значение атмосферного и стратосферного озона? 5.Какое явление получило название "озоновой дыры"?

6.Какие международные соглашения приняты для защиты атмосферы?

7.Геохимическая экология микроэлементов в биосфере.

148

7.1.Химический состав живых организмов.

Химический элементарный состав геосфер Земли и живого вещества определен в ХIХ-ХХ вв. трудами Ф. Кларка, В.И. Вернадского, В.М.

Гольдшмидта, А.Е. Ферсмана, А.П. Виноградова, В.В. Ковальского. Основную массу /98,8%/ живого вещества составляют всего 4 химических элемента: 0 - 70%,

С - 18%, Н - 10,5%, N - 0,3%. Остальные 1,2% массы приходятся на 9 химических элементов: Ca- 0,5%, К- 0,3%, Si - 0,2%, Р - 0,07%, S - 0,05%, Mg-0,04%, Na - 0,02%, Cl - 0,02%, Fe - 0,02%. Все перечисленные химические элементы называют макроэлементами - биофилами, они присутствуют в живом веществе в весовых количествах постоянно, являясь структурными химическими элементами живых организмов, участвуют в обмене веществ.

В процессах жизнедеятельности растений и животных в разной степени участвует множество природных химических элементов, присутствующих в различных подсистемах биосферы. Всего в живых организмах определено 66

химических элементов, из которых 47 присутствуют постоянно, являясь элементами биофилами. Кроме вышеназванных 13 макроэлементов /О, С, Н, N, Ca, K, Si, Mg, P, S, Na, Cl, Fe / это 34 микроэлемента/Cu , I , Mn, V, Mo, Co, Se, Sr, Cd, Br, F, Cr, Be, Ni, Li, Cs, Sn, B, TR, Al, Ba, Rb, Ti, Ag, Ga, Ge, As, Hg, Pb, Bi, U, Th, Ra/, которые присутствуют в живом веществе в невесомых(не определяемых весовым методом анализа) микроколичествах порядка n•10-3 - n•10-5%/, а

некоторые из них в еще более малых концентрациях: Sе - <10-6%, U - 10-6%, Hg - 10-7%, Ra - n•10-12%. Впервые на биологическую роль химических элементов и особенно микроэлементов в живых организмах обратил внимание В. И.

Вернадский. Существует метод оценки физиологической значимости элемента,

149

основанный на геохимической взаимосвязи эволюции земной коры и живого вещества, определенной В.И. Вернадским. Оценочный коэффициент / Ко /

характеризует уровень обогащения живого вещества химическими элементами:

/ Сх/СFe / в исследуемой среде Ко = -------------------------------------------

/ Сх/СFe / в земной коре,

где Сх/СFe - отношение концентраций определенного элемента Х к концентрации железа в изучаемой среде и земной коре. Величины Ко отражают физиологическую значимость макро- и микроэлементов. Интервал 10 < Ko < 100

характерен для таких макроэлементов как К и Са, а также жизненно необходимых микроэлементов: Cu, Zn, Mo,As, Se, Fe и др. Жизненная, физиологическая необходимость элемента определяется его влиянием на функционирование живого организма. Элементный дефицит вызывает нарушение функций, которые восстанавливаются при поступлении в организм необходимого физиологического количества определенного элемента. Длительный дефицит элемента в организма может привести к необратимым нарушениям и гибели организма.

К жизненно необходимым для животных и человека химическим элементам относятся 13 макроэлементов - О, С, Н, N, Ca, K, Si, Mg, P, S, Na, Cl, Fe / и 12 микроэлементов Cu, Zn, Mn, Mn, Mo, Co, Ni, Cr, Se, As, I, F, V.

Присутствующие в живом веществе микроэлементы биофилы можно разделить на

2, группы: 1. Cu, Zn, Mn, Mn, Mo, Co, Ni, Cr, Se, As, I, F, V - физиологически активны, незаменимы в обмене веществ, входят в состав химических соединений живых организмов.

2.Cd, Sr, Br, Be, Li, Cs, Sn, Al, Ba, Rb, Ti, Ag, Ga, Ge, Hg, Pb, Bi, TR, U, Th, Ra -постоянно содержатся в живых организмах, но их физиологическая роль не

150

достаточно выяснена. Из элементов обеих групп можно составить Ш группу -

биогенных токсикантов, приоритетных загрязнителей, экологически наиболее опасных микроэлементов. Это - Ag, Pb, Hg, Cd, Zn, Cr, As.

7.2. Биологическое действие микроэлементов.

Все микроэлементы активны биологически, причем для физиологически необходимых элементов - биофилов, таких как Cu, Zn и др. существуют нижняя и верхняя пороговые концентрации, ограничивающие пределы нормальной регуляции функций организма. За этими пределами элемент дважды /недостатком и избытком/ концентрации проявляет токсичность по отношению к живому организму( Рис.9.).

Суточная потребность животных в цинке составляет 10 мг. Недостаток цинка в организме менее 30 мг/кг служит причиной карликового роста животных и растений, а переход через верхнюю пороговую концентрацию угнетает окислительные процессы в организме, вызывает анемию и канцерогенез.

Элементы физиологически нейтральные, например, Pb, Hg, обнаруживают токсичность при избыточном содержании. Эколого-геохимическую особенность биосферы представляет изменчивость, мозаичность ее микроэлементного состава,

что более всего проявляется в геохимической неоднородности почв и пресных вод. При среднем содержании меди в почвах, равном 20 мг/кг, ее концентрация изменяется в разных типах почв в 1500 раз /0,1 -154/•10-4% /, а с учетом рудных провинций в несколько тысяч раз. Аналогичные зависимости существуют для других микроэлементов. Естественное геохимическое разнообразие биосферы проявляется в географической зональности /В. В.Ковальский, 1974/. В биосфере