Основы экологической безопасности территорий и акваторий

6

Евгений Порфирьевич Захаров -

Учебное пособие

"Основы экологической безопасности территорий и акваторий"

Евгений Порфирьевич Захаров - заведующий кафедрой прикладной экологии, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, член-корреспондент отделения экологии и рекреации Крымской Академии Наук, член Европейского Союза охраны побережий

Рецензент - Р. В. Серебрякова, доцент, кандидат географических наук, декан экологического факультета.

Введение

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов 1-5 курсов очного и заочного обучения следующих факультетов: экологического, экономического, политологического, востоковедения, юридического, журналистики, европейских языков и литератур. Учебное пособие рекомендуется использовать при изучении дисциплин: "Основы экологической безопасности территорий и акваторий", "Безопасность жизнедеятельности", "Экономика природопользования", "Прикладная экологическая геохимия" и других. Кроме того, студенты могут использовать учебное пособие при выполнении контрольных, практических, лабораторных, курсовых, выпускных и дипломных работ, при подготовке семинарских занятий и написании рефератов. Данное учебное пособие может быть использовано инженерами и научными сотрудниками, занимающимися проблемами экологии и охраны окружающей среды.

Оглавление

1. Эколого-геохимическая характеристика биосферы

1.1 Учение о биосфере

1.2 Экосистема и источники естественной и техногенной миграции элементов и веществ

1.3 Экология и общество

2. Классификация эколого-геохимических аномалий и ее значение для определения экологоческой безопасности жизнедеятельности

Список литературы

Приложение 1. Средний состав золы наземных растений и коэффициеты биологического поглощения

Приложение 2. Значение растительно-почвенного коэффициента для различных минеральных форм некоторых рудных элементов по данным изучения безбарьерных и практически безбарьерных растений

1. Эколого-геохимическая характеристика биосферы

1.1 Учение о биосфере

Биосфера - сфера жизни. Она представляет собой часть земного шара. Термин биосфера ввел в 1875 году австрийский геолог Э. Зюсс. Последний назвал область жизни на Земле биосферой. Основоположником современного учения о биосфере является русский ученый В.И. Вернадский. В представлении В.И. Вернадского биосфера охватывает то пространство, в котором живое вещество действует как геологическая сила, формирующая облик Земли. В основе его учения лежат представления о планетарной геохимической роли живого вещества в образовании биосферы. Биосфера - продукт длительного превращения вещества и энергии в ходе геологического развития Земли. В. И. Вернадский ввел понятие о биогеохимии. Биогеохимия - геохимия биосферы, то есть определенной земной оболочки - наружной, лежащей на границе космического пространства.

По В. И. Вернадскому биосфера включает в себе четыре основных компонента:

1. Живое вещество - совокупность всех живых организмов (люди, животные, птицы, растения, рыбы, микроорганизмы и т.д.)

2. Биогенное вещество, т.е. продукты, образовавшиеся в результате жизнедеятельности различных организмов (каменный уголь, битумы, торф, лесная подстилка, гумус почв и т.д.)

3. Биокосное вещество - преобразованное организмами неорганическое вещество (некоторые осадочные породы, приземный воздух атмосферы и т.д.)

4. Косное вещество - горные породы, в основном магматического генезиса. Живое вещество - это совокупность живых организмов, существовавших или существующих определенный промежуток времени и являющихся мощным геологическим фактором. Живое вещество является биогеохимическим фактором и характеризуется элементарным составом, массой и энергией.

Это вещество аккумулирует и преобразовывает солнечную энергию и вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот. В. И. Вернадский указывал, что живое вещество аккумулирует энергию космоса, превращает ее в энергию земных процессов (химическую, электрическую, механическую, тепловую и т.д.) и в непрерывном обмене веществ с косной материей планеты обеспечивает образование живого вещества.

Последнее замещает отмирающие его массы и привносит новые качества, определяя процесс эволюции органического мира. Через живое вещество многократно проходят атомы почти всех химических элементов. Живое вещество определяет состав атмосферы, гидросферы, литосферы и играет большую роль в формировании биосферы.

Учение В. И. Вернадского о биосфере создает теоретическую базу для решения грандиозной задачи всестороннего изучения биосферы как глобальной среды обитания человечества.

Во взглядах В. И. Вернадского особенно важны следующие два положения:

1. Понятие о живом веществе как о ведущем факторе миграции и перераспределения химических элементов на поверхности Земли.

2. Неразрывная связь и единство живых организмов и окружающей среды. Единство биосферы поддерживается непрекращающимся обменом вещества и энергии между средой и организмами. Обмен веществ происходит путем миграции химических элементов, захватываемых и выделяемых организмами в процессе их жизнедеятельности. Жизненные процессы, включающие процессы биогеохимической миграции элементов, по своей природе являются цикличными и незамкнутыми. Биогеохимические циклы бывают разного ранга - от обмена на уровне микроорганизмов до суммарного эффекта деятельности живого вещества планеты Земля. Это создает своеобразный механизм функционирования биосферы и ее отдельных звеньев.

Цикличность массообмена химических элементов поддерживает состав окружающей среды в состоянии подвижного равновесия. Незамкнутость процессов способствует направленному изменению состава среды. Биогеохимия - наука, изучающая закономерности распределения химических элементов в живых организмах и окружающей среде для выяснения биогеохимических циклов массообмена.

Биогеохимия является частью учения о биосфере.

Идеи В.И. Вернадского о единстве общества и природы актуальны и в настоящее время. Он говорил: "Все страхи и рассуждения обывателей, а также некоторых представителей гуманитарных и философских дисциплин о возможности гибели цивилизации связаны с недооценкой силы и глубины геологических процессов, каким является происходящий ныне, нами переживаемый переход биосферы в ноосферу".

Учение В. И. Вернадского о ноосфере включает четыре основные положения:

1. Ноосфера является исторически последним состоянием геологической оболочки биосферы, преобразованной деятельностью человека.

2. Ноосфера - сфера разума и труда.

3. Изменения в биосфере обусловлены как сознательной, так и бессознательной деятельностью человека. В последнем случае изменения в биосфере являются стихийными.

4. Дальнейшее развитие ноосферы связано с развитием социально-экономических факторов, таких как установление мира на планете Земля, освобождение трудящихся и дальнейшее развитие науки в их интересах. Ноосфера сильно отличается от биосферы в генетическом ускоренном развитии. Например, биосфера в мезозойском периоде находилась в устойчивом состоянии миллионы лет. Ноосфера значительно изменяется за десятки лет.

Так, за несколько десятков лет развития химической промышленности в Армянско-Красноперекопском промышленном районе Крыма заражены все среды экосистемы планеты Земля и сформировать чистую ноосферу в этом регионе не представляется возможным. Ноосфера сильно изменяется не за миллионы лет, а за столетия и десятилетия.

В литературе известно, что с середины XIX века мировое потребление углерода, железа, марганца, никеля увеличилось в 50-60 раз, а ванадия, вольфрама, молибдена, алюминия и калия - в 200-1000 раз.

В природе месторождения формировались миллионы лет. Добыча полезных ископаемых и их рассеяние, миграция и локализация в техногенных условиях происходит всего лишь за десятки и реже - сотни лет. При переработке и извлечении полезных компонентов из руд образуются шламы, шлаки и другие отходы производств, которые возвращаются в биосферу. Так происходит обмен веществ между человеком и природой. Этот обмен веществ приводит к загрязнению ноосферы и к заболеванию живых организмов. Процессы миграции, рассеивания, локализации (аккумуляции) и перераспределения элементов и загрязняющих веществ между различными средами в техногенных условиях осуществляется с использованием энергии солнца, ядерных превращений, горючих ископаемых (угля, торфа, нефти, газа, сланцев) и других источников [15].

1.2 Экосистема и источники естественной и техногенной миграции элементов и веществ

Экосистема является функциональным элементом сложной системы биосферы, включающая исторически сложившиеся совокупности организмов (биогеоценозов) и их среду обитания. Экосистема - совокупность в биосфере организмов и неорганических компонентов, в которой происходит обмен веществом и энергией и осуществляется круговорот вещества.

В экосистеме находятся отдельные сообщества растений и животных со свойственными им связями и взаимодействием живой и неживой природы. Экология изучает взаимодействие организмов с окружающей средой. При этом, должен рассматриваться комплексный подход к изучению взаимосвязей системы и ее отдельных составляющих. В экосистеме необходимо учитывать основные биотические факторы, определяющие эволюцию организмов. В масштабах эволюционного процесса необходимо учитывать конкурентную борьбу и связи хищник-жертва. Самая большая экосистема - планета Земля. Экосистемой самого высокого порядка является биосфера. Биосфера - часть Земли, где обитают и размножаются живые организмы. В биосферу входят части литосферы, гидросферы и атмосферы, в которых происходит эволюционное развитие живых организмов. Между отдельными экосистемами нет четких границ. В переходных зонах распространены представители каждой экосистемы. Экосистемам свойственны стабильность и изменчивость.

Стабильность экосистемы определяется ее сложностью. Чем сложнее экосистема, тем она стабильнее. Изменчивостью экосистемы во времени может служить годовой цикл, характерный для средних широт: зима-весна-лето-осень. Живое вещество распределено в биосфере неравномерно. В зависимости от климатических, ландшафтно-геохимических и других факторов в различных регионах сосредатачиваются определенные группы растений и животных.

Группа растений и животных, которые интенсивно обмениваются между собой веществом и энергией, называется экосистемой. Между различными экосистемами также существует обмен веществом и энергией. В экосистемах отдельные сообщества растений и животных со своими связями и особенностями взаимодействия живой и неживой природы образуют биогеоценозы. Биогеоценоз - пространственно ограниченная природная система, характеризующаяся однородным внутренним строением и функциональными взаимосвязями живых организмов и окружающей среды.

Эта система имеет определенный тип и скорость обмена веществ и энергии. Биогеоценозы обладают одновременно стабильностью и устойчивостью. Стабильность биогеоценозов возрастает с усложнением их структуры. Устойчивость биогеоценозов определяется условиями существования всех организмов и имеет следующую зависимость:

x+xy+y

где: x - условия существования всех организмов в биогеоценозе; x - функциональные изменения условий; y - факторы окружающей среды; y - функциональные изменения окружающей среды. Биогеоценозы образуются в результате длительной эволюции. Временные изменения биогеоценозов называются сукцессиями. Сукцессия - последовательная смена биогеоценозов на определенной территории под влиянием природных или антропогенных факторов.

Чрезвычайно важными качествами экосистем является биологическая продуктивность (г/кв.м.сут.), биомасса (т/кв.км). Биологическая продуктивность - скорость создания живого вещества. В настоящее время человечество, проживающее в Южной Америке, Африке, Азии, СНГ, испытывает недостаток в питании. Большое количество населения земного шара (более 25%) систематически недоедает. Это связано как с дефицитом белка в растениях и животных, так и с другими факторами. Человеком культивируется более 80 видов растений. В мировом производстве продуктов питания приходится 56% на зерновые, в том числе более 40% - на рис и пшеницу.

Ранжированный ряд пищевых источников энергии для человека можно представить следующим образом (в скобках -энергия в %): рис (21), пшеница (20), рыба и продукты животноводства (11), прочие злаки, фрукты, орехи и овощи (10), жиры и масла (9), сахар (7), кукуруза, картофель (5). Биомасса - количество живого вещества.

Общая биомасса в океанах и на континентах оценивается учеными в 60-100 млрд. т. Для улучшения жизни на земном шаре необходимо увеличение производительности экосистем и создания экологически чистых пищевых источников энергии. Круговорот элементов между литосферой, гидросферой и атмосферой - мощный круговорот различных веществ в биосфере. Этот круговорот получил название биогеохимического цикла. Естественные фабрики гидросферы, атмосферы и литосферы справляются с этими явлениями и процессами и сохраняют постоянный химический состав, необходимый для роста и развития живых организмов.

Основные элементы, необходимые для жизнедеятельности живых организмов: H, C, O, N, Na, Mg, P, S, Cl, K, Ca, B, Si, U, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mo, J. Избыток или недостаток химических элементов приводит к тератологическим (патологическим) изменениям и нарушению нормального функционирования экосистем [634]. Нами разработаны схемы источников естественной и техногенной миграции элементов и веществ в экосистемах. Миграция элементов и веществ приводит к загрязнению главной экосистемы - биосферы. Поэтому, разумная деятельность человека должна быть направленна на изучение законов природы, на формирование окружающей среды и на сохранении экологически чистой биосферы.

1.3 Экология и общество

Экология, как показано выше, является более емким понятием и учением, чем окружающая среда. Но сложились и существуют различные формы охраны природы: государственная, общественная и международная. Государственная форма охраны природы возникла в рабовладельческих государствах и к настоящему времени стала основной формой регулирования взаимодействия природы и общества. Методы охраны природы: пропагандистские, законодательные, организационные, технические.

Общественная охрана природы возникла в XX веке в эпоху капитализма. Она является дополнением к государственной. Основным методом охраны природы является пропаганда и научное обоснование природоохранных мероприятий с привлечением широких масс населения. Международная охрана природы возникла в начале XX века. Целью международных государств является сохранение ресурсов основной экосистемы - планеты Земля и космического пространства. Для сохранения природных ресурсов Земли формируются межгосударственные соглашения, осуществляются международные программы и контракты за использованием природных ресурсов и экологическим состоянием объектов и т.д. Основными формами охраны природы являются государственная и общественная.

Следует отметить, что до государственной, общественной и международной форм охраны природы, т.е. когда общество разделилось на классы, была народная форма. В этот период эксплуататоры присваивали и накапливали результаты чужого труда и обогащались. Эксплуататоры стремились жить лучше других, а эксплуатируемые продолжали жить и работать для того, чтобы выжить.

После раздела СССР, в государствах СНГ значительно ухудшилась экологическая обстановка, увеличилась смертность населения, уменьшилась рождаемость и т. д. Перестройка в СССР прошла не по ленинским идеям, опубликованным В. И. Лениным в работах "О кооперации" и "Лучше меньше, да лучше". Произошло новое разделение на классы "дикого" капитализма и ненормальная деятельность привела опять к народной форме, т. е. народ доедает, донашивает и доживает. Территории СНГ превращаются в мусорные свалки из отходов капиталистических стран. Практически начата экологическая война, так как поставляются из дальнего зарубежья ядовитые отходы производств, некачественные пищевые продукты и напитки и т.д. Кроме того, миграция населения в СНГ, в связи с национальными проблемами, способствует распространению инфекционных заболеваний. Суммарный эффект от всех факторов приводит к увеличению очагов заболеваемости холерой, чумой, сибирской язвой и т. д. Главное внимание общества должно быть обращено на оздоровление экологического состояния в СНГ, на улучшение жизненного уровня населения за счет развития своих производств и создания экологически чистой пищевой продукции (хотя бы для детей), прекращения межнациональных войн.

2. Классификация эколого-геохимических аномалий и ее значение для определения экологическй безопасности жизнедеятельности

Геохимические методы поисков прочно вошли в практику и широко применяются на всех стадиях геологоразведочного процесса, а также при экологических исследованиях. С помощью геохимических методов открыто более 100 новых месторождений в странах СНГ. Ученые СНГ являются пионерами в развитии теории и практики геохимических методов поисков месторождений полезных ископаемых, а также эколого-геохимического картирования городских, промышленных агломераций, сельскохозяйственных угодий и других объектов биосферы. Большой вклад в развитие прикладной геохимии внесли Н. И. Сафонов, А. П. Соловов, Е. М. Квятковский, П. А. Удодов, Г. Б. Свешников и другие. При геохимических поисках уделяется большое внимание ландшафтно-геохимическому районированию и влиянию техногенеза на экосистемы. В развитии ландшафтной геохимии сыграли ведущую роль исследования А. И. Перельмана, М. А. Глазовской, К. И. Лукашева и других. Техногенные аномалии выделяются геохимиками при оценке ореолов по перспективности. При этом техногенные аномалии не оцениваются в экологическом аспекте, т.е. их влияние на здоровье живых организмов. Аномалии отбраковывают во избежание затрат средств на их оценку, т.е. с целью повышения эффективности поисково-разведочных работ. В естественных условиях месторождения, геохимические и геофизические аномалии влияют на развитие растений, животных, птиц и человека. На месторождениях наблюдается повышенное содержание рудных элементов в почвах, коренных породах, растениях, водах и воздухе. Живые организмы, находящиеся долгое время в условиях повышенного содержания рудных элементов в различных средах, начинают болеть. Раковые заболевания очень хорошо выражены на растениях в виде патологических (тератологических) новообразований [634]. Нами предложен новый тератологический метод поисков рудных месторождений, основанный на патологических новообразованиях у растений. Главной задачей геохимии до недавнего времени являлись поиски месторождений полезных ископаемых. Поэтому все внимание обращалось на решение этой задачи и на основе методов ее решения создавалась классификация геохимических аномалий. Так, в инструкции по геохимическим методам поисков рудных месторождений приводятся основные типы вторичных литохимических ореолов рассеяния рудных месторождений по В. В. Поликарпочкину. Во всех классификациях не учитываются экологические условия. Экологическая обстановка на данном этапе развития человечества во многом желает быть лучше. Не малую роль в ее оздоровлении играют исследования в этой области, в том числе и эколого-геохимические. Эколого-геохимическое картирование должно осуществляться не только в промышленно-городских агломерациях и сельскохозяйственных угодиях, но и перед и после предварительной идетальной разведки месторождений, а также в предпроектный период на всех строительных площадках и т. д. При этом, должно осуществляться экономическое обоснование для постановки разведки или строительства систем и сооружений. В проекты должны закладываться не только стоимости отторжения земель, лесов, вод, но и экономическая эффективность осуществления природоохранных мероприятий и оценка экономического ущерба, причиняемого народному хозяйству загрязнением окружающей среды (по комплексным критериям). Заболеваемость (патогенность) живых организмов происходит в регионах, где имеются естественные аномалии (месторождения, рудопроявления, ореолы, аномалии, магматическая деятельность вулканов, грязевая деятельность вулканов и т. д.). Приведем несколько примеров. Так, на Керченском полуострове Крыма сильно развит грязевой вулканизм. Излившаяся грязь и вода уничтожают полностью растительность, относящуюся к осоко-трещетинниковой ассоциации степей

На кобальтовых арсенидных и кобальто-медных сульфоарсенидных месторождениях Тувы наблюдаются патологические новообразования на караганах (рис. 2.5. и 2.6.), выраженные в виде вздутий паренхимной ткани и образования наростов. Такие же явления наблюдаются и на карагане малой

Над никелиновым типом руд Хову-Аксинского кобальтового месторождения наблюдаются патологические новообразования на березе бородавчатой (рис. 2.7.). Наросты, размером до 0,8 м при толщине до 0.2 м свисают в виде банансов на ветвях березы. Заболеваемость (патогенность) живых организмов происходит в регионах, где наблюдается техногенное (антропогенное) загрязнение окружающей среды. Патологические новообразования наблюдаются на каштанах, пирамидальных тополях, клене, ясене, ломоносе виноградолистном, грецком орехе и т. д. Таким образом, заболеваемость живых организмов происходит как от естественных, так и от техногенных аномалий. Поэтому, нами сделана попытка в разработке классификации эколого-геохимических аномалий, обобщающей все имеющиеся разработки в области прикладной геохимии и экологии. Общее название аномалии принято геотехнопатогенная. Геотехнопатогенная аномалия может быть: биопатогенная, литопатогенная, гидропатогенная, атмопатогенная и космопатогенная

В свою очередь каждая аномалия классифицируется на более мелкие классы

В природных и техногенных условиях проходят сложные процессы и реакции (химические, окисления, фотохимические, радиационно-химические, гравитационные, гравитационно-химические и другие). Они приводят к образованию различных форм нахождения токсичных элементов и загрязняющих веществ. При этом могут образовываться первичные (основные), вторичные (производные) и последующие образования загрязняющих веществ. Токсичность производных загрязняющих веществ может быть сильнее основных. Кроме того, происходит смешение основных и производных веществ и их комплексное (суммарное) воздействие на живые организмы усиливается. Воздействие может быть острым и хроническим. Острое воздействие на живые организмы высокими концентрациями загрязняющих веществ в течении короткого промежутка времени, а хроническое - низкими концентрациями загрязняющих веществ при длительном сроке воздействия. Обобщающая классификация эколого-геохимических аномалий имеет социальное и народно-хозяйственное значение и должна совершенствоваться при дальнейших исследованиях.

Приложение N1