Загрязнение экосистем

Мир живых организмов заполнил все доступные уголки Земли. Миллиарды особей существуют в пределах тех пространств, которые они смогли отвоевать у неживой природы и друг у друга. Каждая из них проживает свою жизнь, определенную генотипом и условиями среды. Им нет дела до того, как живут другие организмы, особенно в других местообитаниях, если они не связаны борьбой за существование.

Такой взгляд на живую природу в определенной степени оправдан, но он не позволяет понять законов жизни, кроме одного - каждый существует сам по себе. Природа при этом выглядит хаотичным набором особей, приспособленных к определенному участку земной поверхности. Экология. Учебник. Е.А.Криксунов., Москва, 2005. - С. 45.

Такую природу в любом месте можно спокойно повредить или уничтожить и ничего не произойдет - все остальное продолжит жить, будет обеспечивать наши потребности в кислороде, продуктах питания и т.п. Понадобились многие годы размышлений и исследований, чтобы подойти к осознанию всей сложности существования жизни на Земле.

По современным представлениям природа существует не суммой отдельных организмов, а особыми образованиями - экологическими системами, состоящими из множества живых существ и условий среды, образующими по особым законам единое целое. Никакая часть природы, ни одна особь самостоятельно существовать не могут, как не могут самостоятельно функционировать части тела какого-либо организма. Экология. Учебник. Е.А.Криксунов., Москва, 2005. - С. 89.

Особи одного вида «собраны» внутри экосистемы в популяции, популяции разных видов в результате длительного сосуществования образует особое сообщество - биоценоз, который автономно существует на определенной территории. Т.о. совокупность сообществ (биоценоз) и занимаемого ими природного жизненного пространства (экотопа), характеризующаяся автономией существования, образует экосистему. Условно ее можно изобразить следующим образом:

Рисунок 1 - Экосистема

Экологические системы делятся на естественные (природные) и искусственные (антропогенные). Все сказанное выше в полной мере относится к естественным экосистемам и лишь в определенной мере - к антропогенным, в которых отдельные черты чрезвычайно, гипертрофированно развиты, отдельные - слабо или отсутствуют.

С учетом размеров выделяют:

- микроэкосистемы (лужа, пень, муравейник, аквариум и т.п.);

- мезоэкосистемы (луг, болото, город, завод и т.п.);

- мегаэкосистемы (тайга, тундра, мегаполис и т.п.);

- глобальная экосистема (биосфера).

В общей экологии основным объектом является естественная экосистема.

Все экосистемы при их обязательной автономии существования взаимозависимы. Совокупность однородных небольших экосистем образует более крупные экосистемы, которые в свою очередь являются составными частями еще более крупных экосистем и так далее, превращаясь в конечном итоге в самую большую экосистему Земли - биосферу.

Особо - всего лишь формы существования живой материи, а экосистема - образование, в котором живое вещество практически слилось с неживым, и, как указывалось выше, порой нет четкой границы между ними неразделимо. По большому счету жизнь на Земле существует в форме экосистем.

В зависимости от среды обитания организмов экосистемы подразделяются на наземные, к которым относятся тундра, тайга, степи, пустыни, широколиственные леса и т.д., пресноводные (реки, озера, старицы…) и морские (открытый океан, эстуарии, глубоководные рифтовые зоны…).

При внешнем различии (характер среды обитания, особенности жизнедеятельности организмов, видовой состав биоценозов и т.п.) все эти экосистемы все же имеют сходную структуру и существуют по одним и тем же законам природы, а может, и мироздания. Наиболее значимыми для Нечерноземной зоны РФ безусловно являются естественные наземные экосистемы, а среди них - мезо - и мегаэкосистемы. Их общие характерные особенности - четкие ландшафтно-географические границы, значительные размеры и преобладание определенного типа растительности. Такие экосистемы называют биогеоценозами, а науку, изучающую их - биогеоценологией.

Поскольку биогеоценозы занимают основную часть территории России, сосредотачивают основную часть живых существ и оказывают наибольшее влияние на нашу жизнь, то изучение их является центральным звеном в познании экологических законов.

2. Общая характеристика загрязнения атмосферы, гидросферы и литосферы предприятиями железнодорожного транспорта

Загрязнение атмосферы происходит в результате работы предприятий железно 0 дорожного транспорта, которые в совокупности ежегодно выбрасывают «на ветер» более 20 млрд. т. твёрдых и газообразных частиц. Основными загрязнителями атмосферы являются окись углерода и сернистый газ.

Наиболее распространенные загрязнители атмосферы поступают в нее в основном в двух видах: либо в виде взвешенных частиц, либо в виде газов.

Углекислый газ. В результате сжигания топлива, а также производства цемента в атмосферу поступает огромное количество этого газа. Сам этот газ не ядовит. Угарный газ. Сжигание топлива, которое создает большую часть газообразных, да и аэрозольных загрязнений атмосферы, служит источником другого углеродного соединения - угарного газа. Он ядовит, причем его опасность усугубляется тем, что он не имеет ни цвета, ни запаха, и отравление им может произойти совершенно незаметно.

В настоящее время в результате деятельности человека в атмосферу поступает около 300 миллионов тонн угарного газа.

Углеводороды, поступающие в атмосферу в результате деятельности человека, составляют небольшую долю от углеводородов естественного происхождения, но загрязнение ими имеет весьма важное значение. Их поступление в атмосферу может происходить на любой стадии производства, обработки, хранения, перевозки и использования веществ и материалов, содержащих углеводород. Более половины углеводородов, производимых человеком, поступает в воздух в результате неполного сгорания бензина и дизельного топлива при эксплуатации автомобилей и других средств транспорта Экокультура: в поисках выхода из экологического кризиса. Хрестоматия по курсу окружающей среды / Сост. Н.Н. Марфенин. - М.: Гардарика, 2006. - С.79..

Сернистый газ. Загрязнение атмосферы соединениями серы имеет важные экологические последствия. Главные источники сернистого газа - вулканическая деятельность, а также процессы окисления сероводорода и других соединений серы. Сернистые источники сернистого газа по интенсивности давно превзошли вулканы и сейчас сравнялись с суммарной интенсивностью всех естественных источников. Аэрозолевые частицы, поступают в атмосферу из естественных источников.

Атмосферное загрязнение -- присутствие в воздухе различных газов, паров, частиц твердых и жидких веществ, включая и радиоактивные, отрицательно влияющих на живые организмы, ухудшающих условия жизни человека и наносящих ему материальный ущерб.

При сжигании топлива в атмосферу попадают диоксид и оксид углерода, оксиды азота и серы, сажа, пыль, а также канцерогенные циклические углеводороды (бензантрацен, холантрен и др.) при неполном сгорании топлива. Эти углеводороды содержатся и в саже, гудроне, которые выбрасываются дизельными двигателями.

Все виды транспорта, в том числе и железно - дорожный значительно загрязняют воздух. Так, в выхлопных газах автомобилей содержатся оксид углерода, оксиды азота, различные углеводороды, в том числе альдегиды, сернистые газы, а также свинец, хлор, бром, фосфор и др. С выхлопными газами автомобилей в атмосферу поступает около 200 вредных веществ. Самолеты выделяют оксиды углерода и азота. Особенно вредны из всех выбросов диоксид серы, оксид углерода, оксиды азота, различные углеводороды, пыль, тяжелые металлы. Часто образуется смог -- смесь дыма, влаги, химических веществ. Оксиды азота и серы, растворяясь в атмосферной влаге, образуют кислоты, выпадающие с дождями и подкисляющие и без того кислые почвы таежно-лесной зоны.

Выбросы предприятий железно - дорожного транспорта приводят к повреждению растительности, особенно лесов. Например, выбросы Люберецкой ТЭЦ-22 (Московская обл.) угнетают сосновые посадки и пригородные леса, выбросы Братского алюминиевого завода (Южный Урал) повреждают деревья в радиусе до 150 км. Вредное воздействие на растительность оказывают диоксиды серы и азота, озон, пероксид водорода, тяжелые металлы, этилен, анилин, соединения аммония, продукты фотохимического окисления фторидов и т.п. Под их влиянием подавляется фотосинтез, нарушается водообмен, снижается транспирация, угнетаются рост и развитие растений, снижается их продуктивность. Загрязнение отрицательно влияет на плодовитость животных и птиц. Исключительно вредны для здоровья человека оксиды свинца, соединения мышьяка, кадмия, бериллия, пыль, оксиды углерода. Так, пыль вызывает раковые заболевания, аллергию, дерматозы, силикоз; оксид углерода разрушает гемоглобин крови; диоксид углерода раздражает слизистую оболочку глаз и дыхательных путей; диоксид серы вызывает хронический гастрит, атеросклероз, расстройства нервной и сердечно-сосудистой систем, бронхит, ларингит, рак легких; свинец изменяет состав крови и костного мозга, поражает печень и почки и др.; мышьяк, ртуть, селен приводят к отравлениям, а также могут вызвать импотенцию, ослабить умственные способности (ртуть); сероводород -- причина расстройств центральной нервной и сердечно-сосудистой систем и т.п.

Загрязнение гидросферы происходит прежде всего в результанте сброса в реки, озера и моря промышленных сточных вод. Согласно расчетам ученых, в конце XX в. для разбавления сточных вод может потребоваться 25 тыс. км пресной воды, или практически все реально доступные ресурсы такого стока. Нетрудно догадаться, что именно в этом, а не столько в росте непосредственного водозабора главная причинна обострения проблемы пресной воды.

Обычно различают биологическое (органическое), химическое и физическое (тепловое) загрязнения вод. Биологическое загрязнение--стоки, содержащие фекалии, мочу, пищевые отходы, стоки боен, пивоваренных, молочных и сахарных заводов, сыроварен, отходы целлюлозно-бумажной промышленности, кожевенных производств и др. Такие воды являются бактериологически зараженными и могут вызывать заболевания --дизентерию, кишечные инфекции, тиф и другие инфекционные заболевания.

Химическое загрязнение вод вызывают сточные воды предприятий, содержащие в токсичных количествах соли свинца, меди, никеля, цинка, кадмия, бериллия, нитраты и нитриты, сульфаты и сульфиды, персульфаты, нефтепродукты, фенолы, пестициды и другие химические соединения, которые нарушают процессы фотосинтеза, обусловливают непригодность воды для рыбного хозяйства, рекреационных целей и хозяйственно-питьевого назначения. Экокультура: в поисках выхода из экологического кризиса. Хрестоматия по курсу окружающей среды / Сост. Н.Н. Марфенин. - М.: Гардарика, 2006. - С. 186.

Тепловое загрязнение исходит от тепловых электростанций. Сброс нагретых вод в природные водоемы вызывает повышение температуры воды, замену обычной флоры сине-зелеными водорослями, выделяющими при разложении токсические вещества. Такая вода непригодна для питья, рыбного хозяйства, часто и для промышленности, так как: возможны нарушение технологических процессов, коррозия металлических конструкций.

Токсические вещества, содержащиеся в водах, весьма опасны для человека, так как активно накапливаются в пищевых цепях.

Так, углеводороды, ароматические амины, нитросоединения, попадая в организм человека, могут вызвать раковые заболевания. Бывают случаи отравления рыбой, содержащей соединения ртути.

3агрязнение литосферы (почвенного покрова) происходит в результате образования миллионов гектаров нарушенных земель, возникающих. в процессе строительства. Так называемые «бедленды» («дурные земли»), полностью или почти полностью потерявшие свою продуктивность, занимают 1% поверхности суши. Еще более важная причина загрязнения -- промышленные и сельскохозяйственные отходы. В роли главных загрязнителей выступают металлы и их соединения, удобрения, ядохимикаты, радиоактивные вещества. Все более сложной становится проблема накопления бытового мусора; огромные мусорные свалки стали характерным признаком городских окраин. Не случайно на Западе по отношению к нашему времени иногда применяют термин «мусорная цивилизация». Экокультура: в поисках выхода из экологического кризиса. Хрестоматия по курсу окружающей среды / Сост. Н.Н. Марфенин. - М.: Гардарика, 2006. - С. 245.

Почти все загрязняющие вещества, которые первоначально попали в атмосферу, в конечном итоге оказываются на поверхности суши и воды. Оседающие аэрозоли могут содержать ядовитые тяжелые металлы - свинец, ртуть, медь, ванадий, кобальт, никель. Обычно они малоподвижны и накапливаются в почве. Но в почву попадают с дождями также кислоты. Соединяясь с ним, металлы могут переходить в растворимые соединения, доступные растениям. В растворимые формы переходят также вещества, постоянно присутствующие в почве, что иногда приводит к гибели растений.

Использованная человеком вода в конечном счете возвращается в природную среду. Но, кроме испарившейся, это уже не чистая вода, а бытовая, промышленные и сельскохозяйственные сточные воды, обычно не очищенные или очищенные недостаточно.

В наибольшей степени загрязнению подвергается самый верхний слой литосферы -- почвы -- в связи с применением в больших дозах удобрений, пестицидов на сельскохозяйственных угодьях, внесением вредных веществ с ирригационными водами, накоплением отходов промышленности, полеводства и животноводства, антисанитарным состоянием многих населенных пунктов, выпадением атмосферных загрязнителей, например тяжелых металлов. На поверхность почв могут выпадать кислые дожди и радиоактивная пыль, наблюдается загрязнение патогенными организмами. Опасно загрязнение выхлопными газами автомобилей, содержащими свинец, углеводороды, оксиды азота и др.

Среди загрязнителей особое место занимают тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий, ванадий, хром, цинк, медь, никель, селен и др.), а также мышьяк -- отходы различных производств, в особенности металлургической и машиностроительной промышленности. Тяжелые металлы попадают в почву при сжигании топлива, с выхлопными газами автомобилей. Радионуклиды загрязняют почву в результате аварий на атомных электростанциях, ненадежного захоронения радиоактивных отходов. Почву могут загрязнять минеральные удобрения, особенно азотные, если их вносят в избыточных дозах.

Основная часть источников загрязнения имеет локальное действие, меньшая -- региональное (опасность загрязнения составляет несколько сотен километров) и глобальное (в тех случаях, когда загрязняющие вещества попадают в почву из воздуха или когда минеральные удобрения используют на больших площадях). Промышленное загрязнение происходит в основном через атмосферу, на поверхность почвы оседают аэрозоли, пары, пыль, сажа, растворимые вещества, принесенные с дождем, снегом. Загрязнители поступают из дымовых труб, вентиляционных каналов, путем развеивания терриконов, отвалов, со сточными водами.

Все почвенные загрязнители включаются в пищевые цепи и с продуктами питания или водой попадают в желудочно-кишечный тракт человека.

3. Показатели качества и нормирование примесей в атмосферном воздухе

Под качеством атмосферного воздуха понимают совокупность свойств атмосферы, определяющую степень воздействия физических, химических и биологических факторов на людей, растительный и животный мир, а также на материалы, конструкции и окружающую среду в целом.

Нормативами качества воздуха определены допустимые пределы содержания вредных веществ как в производственной (предназначенной для размещения промышленных предприятий, опытных производств научно-исследовательских институтов и т.п.), так и в селитебной зоне (предназначенной для размещения жилого фонда, общественных зданий и сооружений) населенных пунктов. Основные термины и определения, касающиеся показателей загрязнения атмосферы, программ наблюдения, поведения примесей в атмосферном воздухе определены ГОСТом 17.2.1.03-84. Охрана природы. Атмосфера. Термины и определения контроля загрязнения.

Предельно допустимая концентрация вредного вещества в воздухе рабочей зоны (ПДК_рз) - концентрация, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8 часов, или при другой продолжительности, но не более 41 часа в неделю, на протяжении всего рабочего стажа не должна вызывать заболевания или отклонения в состоянии здоровья, обнаруживаемые современными методами исследования, в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений. Рабочей зоной следует считать пространство высотой до 2 м над уровнем пола или площади, на которой находятся места постоянного или временного пребывания рабочих.

Как следует из определения, ПДК_рз представляет собой норматив, ограничивающий воздействие вредного вещества на взрослую работоспособную часть населения в течение периода времени, установленного трудовым законодательством. Совершенно недопустимо сравнивать уровни загрязнения селитебной зоны с установленными ПДК_рз, а также говорить о ПДК в воздухе вообще, не уточняя, о каком нормативе идет речь.

Предельно допустимая концентрация максимально разовая (ПДК_мр) - концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест, не вызывающая при вдыхании в течение 20 минут рефлекторных (в том числе, субсенсорных) реакций в организме человека.

Таблица 1 - Соотношение различных видов ПДК в воздухе для некоторых веществ

Понятие ПДК_мр используется при установлении научно-технических нормативов - предельно допустимых выбросов загрязняющих веществ. В результате рассеяния примесей в воздухе при неблагоприятных метеорологических условиях на границе санитарно-защитной зоны предприятия концентрация вредного вещества в любой момент времени не должна превышать ПДК_мр.

Предельно допустимая концентрация среднесуточная (ПДК_сс) -- это концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест, которая не должна оказывать на человека прямого или косвенного воздействия при неограниченно долгом (годы) вдыхании. Таким образом, ПДК_сс рассчитана на все группы населения и на неопределенно долгий период воздействия и, следовательно, является самым жестким санитарно-гигиеническим нормативом, устанавливающим концентрацию вредного вещества в воздушной среде. Именно величина ПДК_сс может выступать в качестве «эталона» для оценки благополучия воздушной среды в селитебной зоне.

Предложен ряд комплексных показателей загрязнения атмосферы (совместно с несколькими загрязняющими веществами); наиболее распространенным и рекомендованным методической документацией Госкомэкологии, является комплексный индекс загрязнения атмосферы (ИЗА). Его рассчитывают как сумму нормированных по ПДК_сс и приведенных к концентрации диоксида серы средних содержаний различных веществ.

Для сопоставления данных о загрязненности несколькими веществами атмосферы разных городов или районов города комплексные индексы загрязнения атмосферы должны быть рассчитаны для одинакового количества примесей. При составлении ежегодного списка городов с наибольшим уровнем загрязнения атмосферы для расчета комплексного индекса используют значения единичных индексов тех пяти веществ, у которых эти значения наибольшие.

В последнее время растет число публикаций, описывающих эффекты действия загрязняющих веществ на биоту, в том числе атмосферных примесей на растительность. Так, установлено, что хвойные породы деревьев, лишайники чувствительнее прочих видов реагируют на присутствие в воздухе кислых газов, в первую очередь, сернистого ангидрида. Исследователи предлагают установить предельно допустимые концентрации для диких видов с тем, чтобы использовать эти нормативы при оценке ущерба и ограничении воздействия на особо охраняемые природные объекты. Однако широкое применение чувствительность растений нашла лишь в биологическом мониторинге; экологическое нормирование состояния атмосферного воздуха на практике фактически не реализовано.

В большой степени загрязненность воздуха связана с почвенной и растительной пылью. Загрязнение воздуха почвенной пылью особенно актуально для населенных пунктов, расположенных в зоне действия суховеев в пустынных или полупустынных местностях. Почвенная пыль этих районов на 70--80% состоит из минеральных соединений с высоким содержанием свободного диоксида кремния. В атмосферном воздухе постоянно присутствуют пыльца растительная, споры грибов, бактерии. Такая пыль может быть причиной аллергических заболеваний (поллинозы). В период цветения растений отмечается рост числа аллергических ринитов.

Большую роль в освобождении атмосферы от взвешенных веществ играют естественные процессы самоочищения, среди которых существенное значение имеет разбавление загрязнений конвекционными потоками воздуха у поверхности Земли. Циклоническая деятельность тропосферы, ее большой объем создают благоприятные условия для перемешивания воздушных масс и снижения концентраций взвешенных веществ. Существенным элементом самоочищения атмосферы является выпадение из воздуха крупных частиц пыли и сажи (седиментация). С подъемом на высоту количество пыли уменьшается; на высоте 7--8 км от поверхности Земли пыль земного происхождения отсутствует. Значительную роль в процессах самоочищения играют атмосферные осадки, увеличивающие количество осевшей сажи и пыли. На содержание пыли в атмосферном воздухе влияют метеорологические условия и дисперсность аэрозоля. Крупнодисперсная пыль с диаметром частиц более 10 мкм быстро выпадает, мелкодисперсная пыль с диаметром частиц менее 0,1 мкм практически не выпадает и находится во взвешенном состоянии.

Однако степень естественного загрязнения атмосферного воздуха незначительна по сравнению с уровнем его искусственного загрязнения, масштабы которого с каждым годом увеличиваются. Атмосферными загрязнениями принято называть те примеси к атмосферному воздуху, которые образуются не в результате естественных процессов в природе, а связаны с деятельностью человека. За последние десятилетия появились новые технологические процессы, которые ведут к поступлению в окружающую среду все новых вредных веществ.

Основными токсичными веществами, которые постоянно обнаруживаются в атмосферном воздухе, являются оксиды серы, азота, оксид углерода, оксиданты, а также пыль различного состава. Кроме указанных соединений, обнаруживаются высокотоксичные соединения, образующиеся в результате трансформации веществ химическим или фотохимическим путем; отмечено, что на процессы трансформации активно влияют УФ-излучение, присутствие озона, высокая влажность воздуха. Например, диоксид серы (сернистый газ) окисляется в триоксид, который с влагой воздуха образует аэрозоли серной кислоты. Накопление серной кислоты в атмосфере приводит к выпадению «кислотных дождей», особенно характерных для промышленных районов северной части Западной Европы. Под влиянием УФ-излучения диоксид азота разлагается на оксид азота и атомарный кислород. Окисление углеводородов олефинового ряда (гептан, гексан, гексен и др.) приводит к образованию высокотоксичных соединений -- пероксиацилнитрата (ПАН) и пероксибензоилнитрата. Эти вещества в сочетании с оксидами азота приводят к образованию «фотохимического смога».

Источниками массивного загрязнения атмосферного воздуха являются выбросы промышленных предприятий и работающего автотранспорта. Наиболее мощным источником загрязнения воздушной среды является промышленность, в частности крупные теплоэлектростанции, работающие на низкосортном, пылевидном топливе. Их выбросы составляют до 27% от всех выбросов в атмосферу. В результате сжигания топлива в воздух выбрасываются зола, сажа, разнообразные газообразные продукты.

По объему вредных выбросов далее следуют предприятия черной и цветной металлургии (24 и 10% соответственно). На долю автотранспорта в городах приходится свыше 60% от всей суммы вредных выбросов. Выхлопные газы автотранспорта содержат большое количество различных компонентов, среди которых значительное место занимают оксид углерода, оксиды азота, углеводороды, свинец, сажа и др. В нашей стране приняты среднесуточные ПДК вредных веществ в атмосферном воздухе, служащие для предотвращения хронического действия загрязнителя на здоровье людей. Для веществ, обладающих запахом или раздражающим действием, устанавливаются также максимальные разовые ПДК. Экокультура: в поисках выхода из экологического кризиса. Хрестоматия по курсу окружающей среды / Сост. Н.Н. Марфенин. - М.: Гардарика, 2006. - С. 408.

Используется еще один важный показатель -- предельно допустимый выброс (ПДВ). ПДВ -- это научно-технический норматив, устанавливаемый для каждого источника выброса, который обеспечивает соблюдение ПДК в атмосферном воздухе населенного пункта. Этот норматив, позволяющий контролировать величины выброса в атмосферу отдельных предприятий, является, таким образом, величиной, производной от ПДК; последняя остается основой оценки качества атмосферного воздуха.

4. Задача

1. Вронский В.А. Экология. Словарь - справочник. - Ростов-на-Дону. Феникс. 2007. - 537 с.

2. Кормилицын В.И. и др. Основы экологии. - М.: Интерстиль. 2007. - 356 с.

3. Одум Ю. Экология: В 2 т. - М.: Мир, 2006. - 400 с.

4. Радкевич В.А. Экология. - Мн.: Выш.школа. 2007. - 120 с.

5. Стадницкий Г. В., Родионов А. И. Экология. М.: Высшая школа. - 2006. - 272 с.

6. Чернова Н.М., Былова А.М. Экология. - М.: Просвещение. 2005. - 208 с.

7. Экокультура: в поисках выхода из экологического кризиса. Хрестоматия по курсу окружающей среды / Сост. Н.Н. Марфенин. - М.: Гардарика, 2006. - 800 с.

8. Экология. Учебник. Е.А.Криксунов., Москва, 2005. - 240 с.