Предмет геохимической экологии. Экологические аспекты химических элементов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Химические элементы и их соединения являются структурной основой мироздания. В живых организмах некоторые из них выполняют физиологическую функцию. Избыток или недостаток их приводит к формированию биогеохимических эндемий, нарушению обменных процессов, формированию различных заболеваний у растений, животных и человека.

Решение экологических проблем невозможно без получения полной информации о каждом химическом элементе, что восполняется в справочном пособии. В нем в определенной последовательности рассматривается информация о тех свойствах химических элементов, которые связаны с миграцией, концентрацией или рассеиванием их, закономерностях формирования месторождений, приводятся научно обоснованные сведения о влиянии их на возникновение заболеваний, вызванных геохимическим фактором, токсичные дозы, растения концентраторы элементов.

1. Предмет геохимической экологии

Геохимическая экология - это область системной экологии, где основным фактором воздействия служит химический элемент и подразделяется на частные направления по объекту воздействия: геохимическая экология человека, растений и животных. Современная экология является интегрирующей наукой.

Техногенные загрязнения окружающей среды оказывают влияние на продолжительность жизни населения. В настоящее время рождаемость населения не всегда превышает смертность.

Современная стадия эволюции биосферы представляет собой стадию коррекции техногенной деятельности человека и начало появления разумных ноосферных технологий. Достижение устойчивого развития зависит, прежде всего, от создания и освоения экологически приемлемых технологий в промышленности и сельском хозяйстве. Медицина и сельское хозяйство должны переходить на стратегию адаптации к биосфере, согласно которой нужно учитывать биохимические особенности территории и основные экологические принципы, управляющие самовоспроизводством живых систем. Эколого-адаптивный принцип - основной принцип, позволяющий природным экосистемам неопределенно долго поддерживать свое стабильное состояние, заключается в том, что восстановление и избавление от отходов происходят в рамках биогеохимического круговорота химических элементов. Поскольку атомы не возникают, не превращаются один в другой и не исчезают, то они могут бесконечно использоваться в пищевых целях, находясь в самых различных соединениях и запас их никогда не истощится. Существовавший веками круговорот элементов включал только биогенные элементы. Однако извлечение из недр земли в последние десятилетия и рассеивание в биосфере несвойственных живым организмам химических элементов привели к тому, что они включаются в биогеохимические циклы с участием человека и животных.

С момента проведения конференции ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро в 1992 году устойчивое развитие стало основной перспективой для стратегии национального и международного развития в области защиты окружающей среды. Устойчивое развитие является процессом перемен, при котором эксплуатация ресурсов, направление инвестиций, ориентация технологического развития должны находиться в гармонии друг с другом для обеспечения потребностей людей, как в настоящее время, так и в будущем. Стратегия устойчивого развития нацелена на удовлетворение основных нужд людей посредством обеспечения экономического роста внутри экологических границ (см. на схеме), представленных одним из важнейших аспектов в области экологической медицины - проблемы экологической реабилитации. Первым этапом устойчивого развития является разработка конкретных проектов, которые могут перерасти в мощную альтернативу нынешней модели развития.

В 2002 году проведена международная конференция «Урал», на которой одним из приоритетных признан пилотный проект по применению фосфорсодержащих комплексонатов металлов. Важнейшим этапом экологической реабилитации являются разработка и внедрение системы профилактики возникновения техногенных аномалий. Малоотходные технологии регенерации и утилизации промышленных отходов, неорганических кислот и солей переходных металлов с применением хелатообразующих агентов для очистки производственных растворов с получением комплексонатов металлов для медицины, сельского хозяйства и промышленности; технологии очистки гидролизных кислот, что снизит объемы сточных вод, твердых и газообразных отходов, должны найти повсеместное внедрение. Данные инновации позволят снизить объем сточных вод в 2 раза, суммарное содержание солей в 4-5 раз, титана, железа и алюминия в 10-13 раз, магния в 5-7 раз. Технологии позволяют получать редкоземельные металлы высокой степени очистки.

Актуальность проблемы здоровья человека и животных в связи с экологической ситуацией очевидна. Решение данной проблемы направлено на создание базиса технологических решений, реализуемых в виде компактных производств, продукция которых запускает компенсаторный механизм природных комплексов отдельных биологических видов.

Такой подход позволяет использовать потенциальные возможности природы путем оптимального саморегулирования, т. е. единственное решение проблем - это повышение эффективности самозащиты биологической системы и природной среды от экологически опасных факторов путем использования продуктов готовых технологий, запускающих механизмы самозащиты.

2. Экологические аспекты химических элементов

Экологическая химия -- наука о химических процессах, определяющих состояние и свойства окружающей среды -- атмосферы, гидросферы и почв.

Раздел химии, посвящённый изучению химических основ экологических явлений и проблем, а также процессов формирования химических свойств и состава объектов окружающей среды.

Экологическая химия изучает как естественные химические процессы, происходящие в окружающей среде, так и процесс её антропогенного загрязнения.

Антропогенное загрязнение окружающей среды оказывает существенное влияние на здоровье растений и животных. Годовая продукция растительности мировой суши до ее нарушения человеком имела значение, близкое к 172х109 т сухого вещества. В результате воздействия ее природная продукция к настоящему времени уменьшилась не менее чем на 25%. В публикациях В.В. Ермакова (1999), Ю.М. Захарова (2003), И.М. Донник (1997), М.С. Панина (2003) и др. показана возрастающая агрессивность антропогенных воздействий на окружающую среду (ОС), имеющих место на территориях развитых стран.

В.А. Ковда привел данные о соотношении естественных биогеохимических циклов и антропогенного вклада в природные процессы, с тех пор техногенные потоки возросли. По его данным, биогеохимические и техногенные потоки биосферы оцениваются следующими величинами:

Табл. 1

По оценке Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), из более чем 6 млн. известных химических соединений используется до 500 тыс., из которых 40 тыс. обладают вредными для человека свойствами, а 12 тыс. являются токсичными. К 2009 г. потребление минеральных и органических сырьевых ресурсов резко возросло и достигло 40-50 тыс. тонн на одного жителя Земли. Соответственно возрастают объемы отходов промышленного, сельскохозяйственного и бытового происхождения. В XXI веке антропогенные загрязнения поставили человечество на грань экологической катастрофы. Поэтому анализ экологического состояния биосферы России и поиск путей экологической реабилитации ее территории являются весьма актуальными.

В настоящее время на предприятиях горнодобывающей, металлургической, химической, деревообрабатывающей, энергетической, строительных материалов и других отраслей РФ ежегодно образуется около 7 млрд. тонн отходов. Используется же лишь 2 млрд. тонн, или 28% от общего объема. В связи с этим в отвалах и шламох-хранилищах страны накоплено около 80 млрд. тонн только твердых отходов. Под полигоны для их хранения ежегодно отчуждается около 10 тыс. га пригодных для сельского хозяйства земель. Наибольшее количество отходов получается при добыче и обогащении сырья. Так, в 2005 г. объем вскрышных, попутно добываемых пород и отходов обогащения в различных отраслях промышленности, был соответственно 3100 и 1200 млн. м3. Большое количество отходов образуется в процессе заготовки и переработки древесного сырья. На лесозаготовках отходы составляют до 46,5% общего объема вывезенной древесины. В нашей стране ежегодно образуется более 200 млн. м3 древесных отходов. Несколько меньше отходов получается на предприятиях черной металлургии: в 2004 г. выход огненно-жидких шлаков составил 79,7 млн. тонн, в том числе 52,2 млн. тонн доменных, 22,3 млн. т сталеплавильных и 4,2 млн. т ферросплавных. В мире ежегодно выплавляется цветных металлов приблизительно в 15 раз меньше, чем черных.

Однако при производстве цветных металлов в процессе обогащения руды образуется от 30 до 100 тонн измельченных хвостов на 1 тонн концентратов, а при плавке руды на 1 тонну металла - от 1 до 8 тонн шлаков, шламов и других отходов.

Ежегодно на предприятиях химической, пищевой, минеральных удобрений и других отраслей промышленности образуется более 22 млн. тонн гипсосодержащих отходов и около 120-140 млн. тонн осадков сточных вод (в сухом виде), около 90% из которых получаются при нейтрализации производственных сточных вод. Более 70% терриконов Кузбасса относятся к горящим. На расстоянии нескольких километров от них в воздухе значительно повышены концентрации SO2, CO, CO2. Резко повышается концентрация в почвах и поверхностных водах тяжелых металлов, а в районах урановых рудников - радионуклидов. Ведение горных работ открытым способом приводит к ландшафтным нарушениям, которые по своим масштабам соизмеримы с последствиями крупных природных катастроф. Так, в районе горных выработок в Кузбассе образовались многочисленные цепи глубоких (до 30 м) провалов, тянущихся на протяжении более 50 км, общей площадью до 300 км2 и объемов провалов более 50 млн. м3.

В настоящее время огромные площади занимают твердые отходы тепловых электростанций: золы, шлаки, близкие по составу к металлургическим. Их ежегодный выход достигает 70 млн. тонн. Степень их использования в пределах 1-2%. По данным министерства природных ресурсов РФ, общая площадь земель, занятых отходами различных производств, в целом превышает 2000 км2.

В мире добывается ежегодно более 40 млрд. тонн сырой нефти, из которых при добыче, транспортировке и переработке теряется около 50 млн. тонн нефти и нефтепродуктов. Нефть считается одним из самых распространенных и самых опасных загрязняющих веществ в гидросфере, так как около трети ее добывается в континентальном шельфе. Общая масса нефтепродуктов, ежегодно попадающих в моря и океаны, приближенно оценивается в 5-10 млн. тонн.

По данным НПО «Энергосталь», степень очистки отходящих газов от пыли черной металлургии превышает 80%, а степень утилизации твердых продуктов улавливания составляет лишь 66%.

При этом коэффициент утилизации железосодержащих пылей и шлаков равен 72%, тогда как остальных видов пылей 46%. Практически на всех предприятиях как металлургических, так и тепловых электростанций не решаются вопросы очистки агрессивных низкопроцентных серосодержащих газов. Выбросы этих газов составляли 25 млн. тонн. Выбросы в атмосферу серосодержащих газов только от ввода в эксплуатацию газоочисток на 53 энергоблоках страны в период с 2005 по 2010 годы снизились с 1,6 до 0,9 млн. тонн. Слабо решаются вопросы нейтрализации гальванических растворов. Еще медленнее - вопросы по утилизации отходов, образующихся при нейтрализации и переработке отработанных травильных растворов, растворов химических производств и сточных вод. В городах России до 90% сточных вод сбрасываются в реки и водоемы в неочищенном виде. В настоящее время разработаны технологии, которые позволяют превращать токсичные вещества в малотоксичные и даже в биологически активные, которые можно использовать в сельском хозяйстве и в других отраслях.

Современные города выбрасывают в атмосферу и водную среду около 1000 соединений. В загрязнении воздуха городов одно из ведущих мест занимает автотранспорт. Во многих городах на выхлопные газы приходится 30%, а в некоторых - 50%. В Москве за счет автотранспорта в атмосферу поступает около 96% CO, 33% NO2 и 64% углеводородов.

По факторам воздействия, их уровню, длительности действия и площади распространения природно-техногенные биогеохимические провинции Урала отнесены к территориям с наибольшей степенью экологического неблагополучия. Урал на протяжении последних лет занимает лидирующее положение по количеству суммарных выбросов в атмосферу вредных веществ. По данным А.А. Малыгиной по загрязнению воздуха и воды Урал занимает первое место в России, а по загрязнению почв - второе.

Урал является одним из крупнейших в стране производителей черных металлов. В нем насчитывается 28 предприятий металлургического комплекса. Для обеспечения их сырьем в области работает более 10 горноперерабатывающих предприятий. По состоянию на 2003 год на металлургических предприятиях области накоплено около 180 млн. тонн доменных шлаков, 40 млн. тонн сталеплавильных и более 20 млн. тонн шлаков производства феррохрома, а также значительное количество пылей и шламов. Установлена возможность переработки отходов в различные строительные материалы для нужд народного хозяйства.

В отвалах области накоплено свыше 2,5 млрд. м3 различных горных пород, 250 млн. тонн шлаков и золы ТЭС. Из всего объема вскрышных пород перерабатывается только 3%. На металлургических предприятиях из 14 млн. тонн ежегодно образующихся шлаков используется только 40-42%, из них 75% доменных шлаков, 4% - сталеплавильных, 3% - ферросплавных и 17% шлаков цветной металлургии, а золы ТЭС только около 1%.

Нарушение микро- и макроэлементного гомеостаза в организме определяется природно-техногенными загрязнениями биосферы, что приводит к формированию широких ареалов техногенных микроэлементов вокруг территориально-промышленных комплексов. Страдает здоровье не только людей, принимающих непосредственное участие в процессе производства, но и проживающих по соседству с предприятиями. Как правило, они имеют менее выраженную клиническую картину и могут принимать скрытую форму тех или иных патологических состояний. Показано, что вблизи промышленных предприятий, расположенных в городе среди жилых массивов, концентрации свинца превышают фоновые значения в 14-50 раз, цинка - в 30-40 раз, хрома - в 11-46 раз, никеля - в 8-63 раза.

Анализ эколого-химической ситуации и состояния здоровья населения Урала позволил установить, что по уровню загрязнения относится к «зонам чрезвычайной экологической ситуации». Продолжительность жизни на 4-6 лет меньше по сравнению с аналогичными показателями по России.

Жители, длительно проживающие в условиях природно-техногенного загрязнения, подвергаются воздействию аномальных концентраций химических элементов, оказывающих заметное влияние на организм. Одно из проявлений - изменение состава крови, причиной которого является нарушение поступления железа, микроэлементов (Cu, Co) в организм, связанное как с низким содержанием их в продуктах питания, так с высоким содержанием в пище соединений, препятствующих абсорбции железа в ЖКТ.

При проведении мониторинга по биологическим и химическим параметрам в 56 хозяйствах разных регионов Урала было условно выделено пять вариантов территорий, различающихся по экологической характеристике:

* территории, загрязненные выбросами крупных промышленных предприятий;

* территории, загрязненные вследствие деятельности предприятий долгоживущими радионуклидами - стронцием-90 и цезием-137 (Восточно-Уральский радиоактивный след - ВУРС);

* территории, испытывающие нагрузку от промышленных предприятий и одновременно находящиеся в зоне ВУРСа;

* геохимические провинции с высоким природным содержанием тяжелых металлов (Zn, Cu, Ni) в почве, воде, а также аномальными концентрациями в припочвенном воздухе и воде радона-222;

* территории, относительно благоприятные в экологическом отношении, свободные от промышленных предприятий

Заключение

экологический техногенный биогеохимический

Неравномерное распространение химических элементов в пространстве является характерным свойством геохимической структуры земной коры. С биогеохимической позиции ряд зон экологической напряженности можно рассматривать как биогеохимические провинции - локальные участки биосферы - с резким изменением химического элементного состава среды и организмов с нарушением локальных биогеохимических циклов жизненно важных химических элементов, их соединений, ассоциаций и проявлением патологических специфических реакций.

Список литературы

1. Общий курс химии. под ред. Панина М.С., М.: Феинкс. 2006.

2. Химия окружающей среды / Под ред. Дж. О.М. Бокрис - М: Химия 2004 г.

3. Шустов С.Б., Шустова Л.В. Химические основы экологии. М: Просвещение, 2005.

Размещено на Allbest.ru