Влияние химических загрязнителей на биосферу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Общие представления о химическом загрязнении окружающей среды

2. Общие закономерности распределения химических загрязняющих веществ в биосфере

3. Влияние химических загрязняющих веществ на биосферу и ее компоненты

4. Техногенные потоки веществ в биогеоценозе

5. Миграция химических загрязняющих веществ в биогеоценозе

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В середине XX столетия резко обострились проблемы, связанные с химическим загрязнением биосферы, нередко приводящим к острым токсико-экологическим ситуациям. Это вызвало расширение и интенсификацию исследований масштабов и темпов загрязнения окружающей среды, поиск эффективных приемов охраны атмосферного воздуха, природных вод, почвенного покрова, предусматривающих как снижение потоков химических загрязняющих веществ, поступающих в биосферу с выбросами промышленности, транспорта, с бытовыми отходами, так и ограничение или полное устранение токсичного действия различных веществ техногенного происхождения на растительный и животный мир и главным образом предотвращение отрицательного их влияния на здоровье человека [1, 2, 3].

Обращая внимание на особую актуальность проблем охраны биосферы от химического загрязнения, которое вызвано быстрым развитием промышленности, транспорта, химизации сельского хозяйства и интенсивной урбанизацией, все же не следует считать, что до наступления эры научно-технической революции вопросам охраны природы вовсе не уделялось внимания. Природоохранными мероприятиями занимались с глубокой древности. Правда, преобладали частные, конкретные задачи, решение которых было необходимо или для успешного развития сельскохозяйственного производства, или для обеспечения жителей отдельных регионов хорошей питьевой водой и т. п. В Древнем Египте, Вавилоне, Шумере были известны способы борьбы с накоплением в почве солей, токсичных для сельскохозяйственных растений. Техника удаления солей была примитивной (нередко соли просто собирали с поверхности орошаемой почвы), но она позволяла достаточно долго и эффективно использовать легко засоляющиеся почвы для выращивания различных культур. Этой же цели служило и регулярное промывание почв долины реки Нил паводковыми водами. Не менее 2000 лет многие европейские народы используют внесение в сельскохозяйственные почвы извести (или мергелей) для снижения токсичного действия на растения накапливающихся кислот, токсичных соединений алюминия и марганца. Конечно, применение извести основывалось скорее на опыте практической деятельности, чем на теоретическом понимании протекающих в природе процессов, но, тем не менее, оно давало положительный результат. Известен, например, и такой прием, как опреснение морских вод фильтрацией через почвенный слой; этим пользовались, в частности, жители побережья Средиземного моря [1].

В глубокой древности в таких городах, как Афины, Рим, Иерусалим, Александрия, канализационные стоки не сбрасывали в реки, а собирали в специальные отстойники и применяли для орошения полей, садов и огородов. Оставшийся в отстойниках осадок использовали в качестве удобрения.

Известный русский поэт Г.Р. Державин в своих мемуарах описал, как по поручению директора казанской гимназии М.И. Веревкина в конце XVIII в. собрали пробы грунта со дна реки, в которую сбрасывались отходы кожевенных заводов. Проделав несложные опыты, доказали, что «загнивание» таких грунтов приводит к «скверному запаху» и антисанитарному состоянию. По его представлению и по указу Сената было запрещено полоскать в реке кожи. Конечно, этот запрет продержался недолго, но для нас интересен сам факт постановки вопроса. Немало усилий прилагалось и для нормализации санитарной обстановки в городах, в частности, путем сооружения канализации.

Конечно, все эти меры прошлого не могут даже сравниться ни по кругу задач, ни по объемам с тем, что приходится решать современным службам охраны природы.

В наше время антропогенные выбросы в биосферу различных химических элементов и веществ достигли уровней, соизмеримых с естественными биогеохимическими потоками соответствующих элементов; в ряде случаев они превосходят естественные потоки [4].

В биогеохимические циклы теперь включается так же большой перечень синтетических соединений, не известных для целинных природных сред. К ним, в частности, относится большая группа веществ, объединяемых общим термином «пестициды» (гербициды, фунгициды), различные фенолы и их производные, фреоны, диоксины. Источниками химического загрязнения биосферы стали практически все промышленные предприятия, транспорт, все более или менее крупные населенные пункты, зоны отдыха (рекреации), крупные животноводческие комплексы, территории, занятые пахотными землями [5].

В настоящее время проблемы экологии стали предметом обсуждения во многих парламентах мира, в том числе и в Казахстане. Острота проблемы столь велика и обсуждается она так широко и часто, что в средствах массовой информации, в выступлениях активистов и парламентариев нередко происходит подмена понятий, что неизбежно приводит к путанице во взглядах и к противоречиям. В вязи с этим целью нашей работы является: изучить влияние химических загрязняющих веществ на биосферу и ее компоненты.

Задачи:

1 изучить общие закономерности распределения химических загрязняющих веществ в биосфере.

2. проанализировать характер источников загрязнения и их связь с различными видами антропогенной деятельности.

биосфера загрязняющий химический биогеоценоз

1. Общие представления о химическом загрязнении окружающей среды

По оценке Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), из более чем 6 млн. известных химических соединений практически используется до 500 тыс. соединений; из них около 40 тыс. обладают вредными для человека свойствами, а 12 тыс. являются токсичными.

За последние десятилетия потребление минеральных и органических сырьевых ресурсов резко возросло: в 1913 г. на одного жителя Земли ежегодно расходовалось 5 т минерального сырья, в 1940 г.-- 7,4, в 1960 г.-- 14,3, а к 2000 г. потребление достигло 40--50 т. Соответственно возрастают и объемы отходов промышленного, сельскохозяйственного и бытового происхождения (таблица 1).

Таблица 1

Объём (млн. т) и структура отходов производства в мире

Категории отходов	Годы	Промышленность	Сельское хозяйство	Коммунально-бытовой сектор	Всего
Главные газообразные загрязняющие вещества атмосферы	1970 2000	47 226	1460 3780	873 2773	19706 50759
Выброс твердых частиц в атмосферу	1970 2000	91 382	14 42	3 13	241 721
Твердые отходы	1970 2000	4000 12000	-- --	1000 3000	5000 15000
Углеводороды	1970 2000	14 57	9 27	4 20	69 244
Органические отходы	1970 2000	-- --	4500 13000	30 50	4530 13050
Фекальные отходы	1970 2000	-- --	9400 24000	180 320	9580 24320
Итого...	1970 2000	4152 12665	15383 40849	2090 6176	39126 104094

К концу XX в. загрязнение окружающей среды отходами, выбросами, сточными водами всех видов промышленного производства, сельского хозяйства, коммунального хозяйства городов приобрело глобальный характер и поставило человечество на грань экологической катастрофы.

Под загрязнением окружающей среды понимают поступление в биосферу любых твердых, жидких и газообразных веществ или видов энергии (теплота, звук, радиоактивность и т. п.) в количествах, оказывающих вредное влияние на человека, животных и растения как непосредственно, так и косвенным путем.

Загрязнения биосферы подразделяют на локальные, региональные и глобальные.

* Локальные загрязнения характерны для городов, крупных промышленных предприятий, районов добычи тех или иных полезных ископаемых, крупных животноводческих комплексов.

* Региональные загрязнения охватывают значительные территории и акватории, подверженные влиянию крупных промышленных районов.

* Глобальные загрязнения чаще всего вызываются атмосферными выбросами, распространяются на большие расстояния от места возникновения и оказывают неблагоприятное воздействие на крупные регионы, а иногда и на всю планету.

Источники загрязняющих веществ разнообразны (таблица 2), а виды отходов и характер их воздействия на компоненты биосферы многочисленны.

Биосфера загрязняется твердыми отходами, газовыми выбросами и сточными водами металлургических, металлообрабатывающих и машиностроительных заводов.

Огромный вред наносят водным ресурсам сточные воды целлюлозно-бумажной, пищевой, деревообрабатывающей, нефтехимической промышленности.

Развитие автомобильного транспорта привело к загрязнению атмосферы городов и транспортных коммуникаций тяжелыми металлами и токсичными углеводородами, а постоянное возрастание масштабов морских перевозок вызвало почти повсеместное загрязнение морей и океанов нефтью и нефтепродуктами.

Массовое применение минеральных удобрений и химических средств защиты растений привело к появлению ядохимикатов в атмосфере, почве и природных водах, к загрязнению биогенными элементами водоемов, водотоков и сельскохозяйственной продукции (нитраты, пестициды и т. д.)

При горных разработках на поверхность земли извлекаются миллионы тонн разнообразных, зачастую фитотоксичных горных пород, образующих пылящие и горящие терриконы и отвалы.

В процессе эксплуатации химических заводов и тепловых электростанций также образуются огромные количества твердых отходов (огарки, шлаки, золы и др.), которые складируются на больших площадях, оказывая негативное влияние на атмосферу, поверхностные и подземные воды, почвенный покров (пыление, выделение газов) [1].

Таблица 2

Общий характер источников загрязнения и их связь с различными видами антропогенной деятельности

Вид деятельности	Общий тип загрязнения	Объекты загрязнения	Тип источника	Режим внесения загрязнения
Добыча твердых полезных ископаемых	Резко преобладает минеральный в виде стоков (шахтные и рудничные воды, стоки обогатительных процессов) и твердых отходов (шламы, породные отвалы)	Почва, вода	Точечный	Постоянный
Добыча жидких горючих полезных ископаемых	Преобладает органический в виде стоков (утечка нефти) и выбросов (утечка газообразных углеводородов), в меньшей степени минеральный в виде стоков минерализованных нефтяных вод	Почва, вода, воздух	»	Постоянный и спонтанный (катастрофические разливы)
Производство энергии	Преобладает минеральный в виде выбросов (газообразные продукты сгорания и зола) и в меньшей степени -- твердых отходов (золошлаковые хранилища), стоков (охлаждающие воды)	Воздух, вода, почва	»	Постоянный
Промышленное производство	Равноценно минеральный и органический, часто смешанный в виде твердых отходов (шлаки, осадки очистных сооружений, пыль, бракованная продукция, остатки сырья после использования полезных компонентов и т. д.), жидких отходов (отработанные растворы особо токсичных веществ), выбросов (паропылегазовые централизованные выбросы горючих и токсичных производств, воздушно-пылевые неорганизованные выбросы местной вентиляции производственных помещений), стоков (промывные жидкости, отработанные растворы, условно-чистые воды после очистных сооружений)	Воздух, вода, почва	Точечный для каждого объекта; площадной для крупных промыш ленных зон с дальними выбросами и стоком в водоток регионального значения	Спонтанный или цикличный для отдельных предприятий, постоянный для промышленных зон
Коммунальное хозяйство	Равноценно минеральный и органический в виде стоков (бытовая канализация, обычно принимающая значительную долю промышленных и ливневых вод) и твердых отходов (бытовой и строительный мусор), в меньшей степени -- выбросов (открытое и промышленное сжигание мусора)	Вода, почва, воздух	Точечный	Постоянный
Транспорт	Преобладает минеральный в виде выброса (газообразные продукты сгорания с примесью аэрозольных частиц), в меньшей степени органический в виде стоков (промывочные воды с углеводородами)	Воздух, в меньшей степени почва	Линейный	Цикличный
Земледелие	Преобладает минеральный (удобрения), в меньшей степени органо-минеральный (ядохимикаты)	Почва, растения	Площадной	Цикличный
Животноводство	Преобладает органический в виде стоков	Вода, почва	Точечный	Постоянный
Использование продуктов дикой природы (лесное, рыбное хозяйство)	Преобладает органический в виде твердых отходов	Почва	»	Цикличный

Жители больших городов страдают от чрезмерного загрязнения воздуха, в результате чего заводские районы некоторых городов становятся непригодными для проживания.

Средняя техногенная нагрузка отдельных химических элементов на поверхность земной суши значительно возросла и находится в пределах 500--1000 кг/(км²*год) для Na, Cl, Ca, Fe; 500--200 кг/(км²*год) для S, N, К, А1, Р, а для токсичных элементов F, Сu, Zn, Pb, Ni, As, Cd достигает 10--0,1 кг/(км²год) [6,7].

Эти данные свидетельствуют о том, что расширение масштабов техногенной сферы связано с интенсивным диспергированием вещества суши, запылением и химическим загрязнением атмосферы, возвратным выпадением аэрозолей, антропогенной пыли и химических соединений на сушу и поверхностные воды, т. е. химическим загрязнением гидросферы и почвенного покрова.

2. Общие закономерности распределения химических загрязняющих веществ в биосфере

Под совместным воздействием природных энергетических факторов -- солнечной радиации, гравитационных и тектонических сил, химической и биогенной энергии -- биосфера Земли сформировалась приблизительно за 2,5 млрд лет. С возникновением социально организованного человеческого общества к природным энергетическим факторам добавился еще один -- энергия мирового производства, который развивается неизмеримо быстрее и в последние годы имеет тенденцию к удвоению мощностей через каждые 14--15 лет. От организации этого производства в ближайшие десятилетия зависит, сохранится или необратимо нарушится подвижное равновесие в окружающей среде, сложившееся за миллиарды лет ее саморазвития. Наиболее реальной опасностью для жизни на Земле является нарушение химического равновесия в биосфере из-за высоких норм потери сырья при добыче и транспортировке, несовершенства технологических процессов и рассеяния в окружающей среде всех видов осадков, стоков и выбросов [8].

Локальные загрязнения биосферы. Загрязнение окружающей среды происходит весьма неравномерно. Основные очаги антропогенного воздействия на природу расположены в регионах с развитой промышленностью, максимальной концентрацией населения и интенсивным сельскохозяйственным производством. Такие загрязнения, обычно наблюдающиеся вокруг какого-либо промышленного предприятия, крупного рудника, населенного пункта, называются локальными. Их химизм определяется, с одной стороны, отраслевой принадлежностью источника загрязнения, с другой -- рельефом, климатическими особенностями и другими природными условиями места загрязнения. Так, почва вокруг рудников полиметаллических руд и комбинатов по выплавке цветных металлов всегда содержит повышенное количество тяжелых металлов -- меди, цинка, свинца, кадмия. Такое же локальное загрязнение почвы свинцом наблюдается вдоль автострад с напряженным движением.

В районах с открытой добычей полезных ископаемых всегда наблюдается локальное загрязнение атмосферы и почвенного покрова пылью, а на территориях, прилегающих к нефтепромыслам и нефтеперерабатывающим заводам, -- нефтяными углеводородами.

В местах разрешенного сброса коммунально-бытовых и производственных сточных вод поверхностные воды всегда отличаются повышенным уровнем загрязнения. Сброс стоков регламентируется «Правилами охраны поверхностных вод» от загрязнения сточными водами с учетом «...степени возможного смешения и разбавления сточных вод водой водоема на пути от места выпуска сточных вод до створа ближайшего пункта питьевого, культурно-бытового или рыбохозяйственного водопользования». Практически это означает, что река или водоем могут быть чистыми не на всем протяжении, а лишь на отдельных участках, главным образом в местах водозабора. Кроме того, эти правила часто нарушают, и реки загрязняются подчас на десятки километров, т. е. локальное загрязнение поверхностных вод переходит в региональное. Это происходит на многих крупных реках нашей страны, протекающих в густонаселенных местностях.

Так, Волга загрязнена стоками крупных промышленных городов Среднего и Нижнего Поволжья почти на всем своем протяжении. В водах Дона во второй половине лета наблюдается интенсивное «цветение» вследствие сбросов коллекторных вод оросительных систем, загрязненных биогенными элементами смытых с полей удобрений.

Примером локального загрязнения атмосферы является смог -- опасное во многих отношениях облако загрязнений различного типа, характерное для некоторых городов, где сочетание загрязнения воздуха транспортными и промышленными газами, атмосферные явления и солнечное излучение создают возможности для его образования. Различают смог влажный («лондонского типа»), представляющий собой сочетание пылевых частиц и капель тумана, и смог сухой, или фотохимический («лосанджелесского типа»), возникающий в результате воздействия ультрафиолетовой составляющей солнечного излучения на загрязняющие вещества, находящиеся в атмосфере. Компонентами сухого смога являются озон О₃,.оксид углерода СО, оксиды азота NO_x, различные радикалы и другие токсичные компоненты.

При нормальных условиях температура воздуха понижается с высотой. Теплый воздух, поднимаясь вверх, рассеивает загрязняющие примеси, выбрасываемые у поверхности земли. Однако иногда в долинах, котловинах и других отрицательных формах рельефа наблюдается явление атмосферной температурной и газовой инверсии-- смещение охлажденных слоев воздуха вниз и их скопление под слоями теплого воздуха. В этом случае изменение температуры атмосферы обратно нормальному и все загрязняющие примеси накапливаются в инверсионном слое, «накрывая» город, пока не изменятся метеорологические условия. При возникновении сильного ветра начинается смещение холодного воздуха и смог рассеивается.

Различают локальное загрязнение техническое, или эксплуатационное, вызываемое нормальной работой промышленного оборудования или использованием продуктов промышленного производства, и аварийное, вызванное резким и неожиданным нарушением работы предприятия, связанным с выбросом в атмосферу, сбросом в водную среду, разливом по почве большого количества вредных для биосферы и населения веществ. Техническое загрязнение, как правило, остается локальным, тогда как аварийное нередко переходит в региональное, а в исключительных -- катастрофических случаях -- в глобальное. Примером катастрофического загрязнения окружающей среды может служить авария на Чернобыльской АЭС.

Региональное загрязнение биосферы. Региональным загрязнением окружающей среды называют загрязнение, обнаруживаемое в пределах значительных территорий, но не охватывающее всю планету. Причиной регионального загрязнения окружающей среды может стать эксплуатационное поступление загрязняющих веществ в биосферу, если оно достаточно длительно, а выбросы поступают в подвижные компоненты биосферы -- в атмосферу и природные воды. Переход локальных загрязнений в региональные может быть связан с расширением территорий городов, которые постепенно превращаются в гигантские мегаполисы с многомиллионным населением. Так, в США на Атлантическом побережье страны сформировался огромный урбанизированный район площадью около 150 тыс. км² с населением 40 млн человек (слившиеся агломерации Бостона, Нью-Йорка, Филадельфии, Балтимора и Вашингтона). На тихоокеанском побережье Японии сложился один из крупнейших мегаполисов за счет слияния Иокогамы; Киото, Нагой, Осаки и Кобе, в котором проживает 60 млн. человек -- половина населения страны. Многомиллионные агломерации сформировались в ФРГ (Рурская область), Великобритании (Большой Лендон) и других экономически развитых странах [8,9].

Атмосферные выбросы большого города (оксиды углерода, серы, азота, углеводороды, пыль) переносятся на большие территории, создавая экологическую напряженность регионального масштаба, сбросы больших объемов сточных вод приводят к загрязнению речных бассейнов, массовое использование удобрений на прилегающих к мегаполису территориях -- к загрязнению почвенного покрова и водной среды избытком биогенных элементов.

Региональные загрязнения вызываются также массовой добычей полезных ископаемых или массовым использованием веществ, опасных для природной среды. Так, высокий уровень загрязнения природных вод нефтью и нефтепродуктами наблюдается на обширных акваториях Мексиканского и Персидского заливов, северного побережья Аляски и Канады, в Карибском и Аравийском морях и других частях Мирового океана, где естественные выходы нефти расположены на побережье и континентальном шельфе. Здесь воды загрязняются отходами при нефтедобыче, вследствие потерь при загрузке-выгрузке и при «залповых» выбросах, нередко случающихся на нефтепромыслах. Площади нефтяных пятен достигают нескольких тысяч квадратных километров.

В районах массового применения химических средств защиты растений происходит региональное загрязнение ими почвенного покрова (Узбекистан, Молдова и др,). Как уже упоминалось, страшным примером регионального загрязнения биосферы радионуклидами стала авария на Чернобыльской АЭС. Степень радиоактивного загрязнения почвенного покрова, максимальная вблизи эпицентра аварии, сильно изменялась в зависимости от атмосферной циркуляции. Уровень локального загрязнения был настолько высок, что со всей окружающей территории было эвакуировано население, и она на десятки лет превратилась в запретную зону. Радиоактивные выпадения произошли не только в обширном регионе нескольких областей Украины, Беларуси, но и над странами практически всей Европы и вызвали интенсивное загрязнение почв.

Глобальные загрязнения биосферы. Глобальными называют загрязнения, которые обнаруживают практически в любой точке планеты. Как правило, глобальные загрязнения переносятся атмосферными потоками, поскольку атмосфера является наиболее открытым компонентом природной среды, связанным процессами энерго- и массобмена с биосферой, гидросферой и космосом.

Основными ингредиентами загрязнения атмосферы являются оксиды углерода, серы и азота, углеводороды и взвешенные частицы. Накоплены статистические данные, позволяющие оценить вклад материков и отдельных групп стран в глобальное загрязнение атмосферы этими соединениями (таблица 3). Сводные данные о количестве наиболее распространенных выбросов свидетельствуют о том, что их подавляющая часть приходится на промышленно развитые страны Северной Америки и Европы и в меньшей степени Азии.

Таблица 3

Количественная оценка выбросов в атмосферу загрязняющих веществ млн т/год

Регион	SO2	CO	NOx	Углеводороды	Взвешенные частицы
Северная Америка	18,111	77,268	11,284	9,042	5,951
Латинская Америка	1,785	9,044	1,196	1,063	1,207
Европа	21,613	21,356	7,700	2,637	6,678
Азия	7,521	8,506	3,281	1,289	4,309
Африка	1,578	2,470	0,745	0,328	0,410
Австралия и Океания	2,121	2,425	0,696	0,296	0,349

Газовые компоненты глобальных загрязнений рассмотрены, в следующей главе. Здесь необходимо отметить особую роль запыления атмосферы. Выбросы взвешенных частиц с середины 50-х годов XX столетия возросли настолько, что вопреки теории «парникового эффекта» средняя температура на нашей планете несколько понизилась, так как резкое увеличение запыленности атмосферы привело к уменьшению поглощения солнечной радиации поверхностью земли. Количество выбрасываемой в атмосферу пыли, образующейся вследствие сжигания топлива и различных технологических процессов, составляет до 10 % (по другим данным -- до 20 %) от общего количества поступающих в атмосферу твердых частиц, причем большая часть атмосферных аэрозолей остается в тропосфере и 80 % из них -- на высоте не более 1 км. Время их пребывания в атмосфере зависит от размеров частиц и обычно ограничивается тремя днями на высоте не более 1 км и тридцатью днями в верхних слоях атмосферы.

Основная доля мирового выброса взвешенных частиц -- около 94 % -- приходится на северное полушарие, максимальное их количество выбрасывается в атмосферу промышленностью развитых стран. Основная опасность глобального загрязнения атмосферы пылью заключается в том, что возрастает запыленность приземного слоя, достигающая в урбанизированных районах 40--400 мкг/м³.

К глобальным загрязнениям биосферы следует отнести и радиоактивные выпадения. Их отличительным свойством является характер распределения по географической широте: максимальные радиоактивные выпадения отмечены около 40° северной широты. К северу и экватору радиоактивное загрязнение постепенно снижается.

3. Влияние химических загрязняющих веществ на биосферу и ее компоненты

Характер и степень влияния химических загрязняющих веществ на общую экологическую обстановку, отдельные биогеоценозы и компоненты биосферы неодинаковы в различных природных зонах и даже по отношению к отдельным видам животных и растений. Вследствие этого наряду с общими и закономерно обусловленными проявлениями опасных токсико-экологических ситуаций нередко возникают частные и локальные нарушения природной среды.

Природные экосистемы обладают способностью противостоять как колебаниям обычных природных факторов, так и изменениям условий существования под влиянием антропогенных воздействий. Поэтому при рациональной организации охраны природы существенное значение приобретают свойства, позволяющие обнаружить неблагоприятные или потенциально опасные изменения среды на самых ранних стадиях. Соответственно необходимы и эффективные методы раннего обнаружения тех или иных изменений.

Наконец, при оценке влияния загрязнений на природную среду необходимо различать прямое (первичное) и опосредованное (вторичное) воздействие. Например, прямое воздействие выбросов металлургического или химического комбината вызывает первичный эффект гибели растительности в ближайших окрестностях. Вслед за этим неизбежно развиваются вторичные процессы эрозии и дефляции оголенной поверхности почв вплоть до полного разрушения почвенного покрова (опосредованное воздействие).

Устойчивость природных систем.

Понятие устойчивости широко используют в экологии, причем различают устойчивость вида, сообщества, ландшафта, экосистемы и, наконец, устойчивость экологическую.

В наиболее общем понимании устойчивость -- способность системы сохранять свои свойства при внешних воздействиях. Одним термином «устойчивость» часто называют два явления:

1) нечувствительность объекта к внешнему воздействию (или резистентность);

2) способность системы возвращаться в исходное состояние после прекращения воздействия.

У биологических систем возвращение в исходное состояние может происходить как за счет внутренних возможностей, так и за счет ресурсов других экосистем, что имеет принципиальное значение при оценке устойчивости системы. В последнем случае устойчивость биоценоза оказывается в жесткой зависимости от устойчивости экосистемы высшего ранга, в конечном счете -- от состояния биосферы [9].

При географических исследованиях часто пользуются понятием устойчивости геосистем. Термин «геосистема» введен в 1963 г. Сочавой и означает фундаментальную структурную единицу географического ландшафта, которая объединяет геоморфологические, климатические, гидрологические элементы и экосистемы на определенном участке земной поверхности. Говоря о геосистемах, нередко включают в них системы расселения, территориально-производственные комплексы.

При анализе геосистем различают несколько типов устойчивости:

1) геохимическая устойчивость, или способность к самоочищению от загрязняющих веществ;

2) биологическая устойчивость, или восстановительные и защитные свойства растительности;

3) физическая устойчивость, или устойчивость литогенной основы (для почв -- противоэрозионная устойчивость).

Наиболее детально теория и показатели устойчивости геосистем и почв к техногенному воздействию разработаны М.А. Глазовской, Н.П. Солнцевой, В.Д. Васильевской, АД. Армандом.

Под устойчивостью геосистем к техногенному воздействию понимают их способность к самоочищению от продуктов техногенеза, зависящую от скорости химических превращений и интенсивности выноса этих продуктов из геосистем.

Н.П. Солнцева (1982) предложила схему техногенного воздействия на биосферу, которая хорошо иллюстрирует реакцию природных систем (рис. 10). Эффект воздействия существенно зависит от того, какие техногенные вещества поступают в биогеоценоз, мигрируют в нем либо сразу исключаются из ценоза. В соответствии с этой схемой техногенные вещества разделяют на геохимически активные и геохимически пассивные. Геохимически активные могут быть токсичными или не токсичными, а геохимически неактивные могут быть практически инертными (не ухудшать состояние среды). Нет сомнений, что в природе имеются случаи, когда поступающие техногенные вещества способны оказать и благоприятное воздействие на биоценозы. В частности, повышенная концентрация СО₂ способствует фотосинтезу, поступление нитратов и оксидов серы во многих ландшафтах снижает дефицит серы и азота, но эти аспекты редко обсуждаются.

При оценке устойчивости геосистем опираются на ряд важнейших понятий: вероятность сохранения объекта в течение некоторого времени; стабильность состояния во времени; способность восстановления прежнего состояния после антропогенного воздействия (или любого стресса); способность адаптироваться к изменяющимся условиям, глушить внешние сигналы, не реагировать на сигналы; способность к длительному накоплению вредных веществ без видимого вреда; способность сохранять производительные функции в социально-экономической системе; легко пропускать загрязняющие вещества; отсутствие или быстрое затухание колебаний в системе; способность сохранять траекторию развития, направление тренда [10].

При анализе влияния загрязняющих веществ на биосферу особо важное значение приобретает устойчивость биогеоценозов, т. е. способность сохранять и восстанавливать присущую им структуру, обеспечивающую определенное функционирование и выраженную через поток вещества и энергии с учетом их динамики и развития, возраста, соответствия их структуры динамике зонально-региональных условий.

Важной задачей при разработке теории устойчивости природных систем является выбор параметров или показателей устойчивости. К таковым относятся определения возможных изостабильных состояний биосистемы, границ их существования, условий переходов из одного состояния в другое и степень обратимости этих переходов.

Устойчивость почв к химическому загрязнению. При оценке устойчивости экосистем к химическому загрязнению особое значение имеет устойчивость почв. Это связано с тем, что почвы являются практически невосполнимым ресурсом жизнеобеспечения на планете, кроме того, именно почвы могут выполнять защитную (протекторную) роль по отношению к природным водам, атмосфере и растительности. Но в то же самое время, выполняя защитные функции, почвы могут стать основным источником многих химических веществ, загрязняющих природные воды и опасных для растений. В их числе избыточные концентрации нитратов и фосфатов, пестициды, тяжелые металлы, фториды.

Почвы существенно различаются по устойчивости к химическому загрязнению. Аккумуляция поступающих в них химических веществ зависит от таких свойств почвы, как содержание гумуса, механический состав, карбонатность, реакция среды, емкость поглощения. Очень большое влияние оказывает водный режим. Устойчивость к загрязнению существенно зависит от строения почвенного профиля, от наличия почвенно-геохимических барьеров, способных задерживать загрязняющие вещества [6, 11].

Основы теории устойчивости почв к химическому загрязнению и принципы соответствующей классификации разработаны М.А. Глазовской. Воздействие техногенных биохимически активных веществ на организмы зависит от их доступности растениям и подвижности в почвах. Поэтому относительная опасность загрязнения почв биохимически активными элементами возрастает при утяжелении механического состава почв и уменьшении коэффициента увлажненности (таблица 4). Все техногенные вещества, являющиеся химическими загрязняющими веществами, объединены в две группы:

1) педохимически активные вещества, способные влиять на кислотно-основные или окислительно-восстановительные условия в почвах (минеральные кислоты, щелочи, карбонаты, сероводород, метан);

2) биохимически активные техногенные вещества, действующие непосредственно на живые организмы (тяжелые металлы, пестициды, ПАУ).

Опасность загрязнения почв слабоподвижными формами соединений биохимически активных элементов увеличивается при высоком содержании гумуса и высокой сорбционной способности. Накоплению этих соединений в почвах, по Глазовской, способствуют следующие процессы:

1) изоморфные замещения в решетках глинистых минералов;

2) сорбция ионов металлов глинистыми минералами, особенно аллофаноидами;

3) соосаждение со свежевыпавшими оксидами и гидроксидами, особенно железа;

4) образование малоподвижных комплексных органометаллических соединений.

Таблица 4

Относительная опасность загрязнения субаэральных почв подвижными биохимически активными элементами

Коэффициент увлажнения	Преобладающий водный режим	Гранулометрический состав и наличие мерзлоты
		пески и супеси	суглинки	глины	различный гранулометрический состав с мерзлотой
>2	Резко промывной	+	+	+++	+++
1-2	Преимущественно промывной	+	+++	++++	++++
0,5-1	Непромывной	+++	++++	+++++	++++
<0,5	Резко непромывной	++++	+++++	+++++	++++

При оценке возможности самоочищения почв необходимо знать процессы, способствующие выносу техногенных веществ за пределы профиля. Способность к самоочищению существенно зависит от водного и теплового режимов, сорбционных свойств, биохимической активности гумусового горизонта. Значительное влияние оказывает степень расчленения и дренированности территории, величина поверхностного и грунтового стока, соотношение количества осадков и испарения.

М.А. Глазовской составлены схематические карты так называемых технобиогеомов (ландшафтно-геохимические системы, обладающие сходным уровнем геохимической устойчивости или сходным характером техногенных аномалий) для целей прогноза степени влияния возможного техногенного воздействия на природные биогеоценозы [6].

Литовские ученые Паулюкявичус и Трабаускене (1986) для оценки устойчивости ландшафтов и почв составили комплекс карт, на которых выделены участки с разными значениями интегральной геохимической активности: возможная степень выноса техногенных веществ, природный фон педохимически и биохимически активных элементов, вероятная интенсивность разложения органических техногенных продуктов, ландшафтно-геохимические барьеры.

В.Д. Васильевской (1990) составлена карта интегральной устойчивости почвенного покрова. В качестве главных параметров устойчивости были выбраны биологическая продуктивность, интенсивность разложения растительных остатков, запасы органического вещества в почве. Показателем первичной биологической продуктивности служит масштаб годичного прироста растений; интенсивность разложения растительных остатков оценивается на основании подстилочно-опадочных коэффициентов растительных сообществ. Названные параметры, а также значения кислотности, степень насыщенности основаниями оценены в баллах (табл. 40). По сумме баллов выделены группы почв, различающиеся по степени устойчивости (устойчивость возрастает при увеличении суммы баллов). На основании балльной оценки составлена схематическая карта устойчивости почв к антропогенному воздействию. Показано, что для подзолистых почв характерна малая интегральная устойчивость к антропогенному воздействию, что обусловлено низкими запасами гумуса, кислой реакцией, низкой степенью насыщенности почв основаниями, расчлененными моренным рельефом.

4. Техногенные потоки веществ в биогеоценозе

Характер распределения химических элементов в биосфере -- один из чувствительных параметров изменения геохимической среды при выветривании и загрязнении. Различные микроэлементы образуют устойчивые ассоциации с макроэлементами в разнообразных геохимических условиях. Элементы с ионными потенциалами менее 3 преимущественно существуют в виде свободных ионов, элементы с ионными потенциалами от 3 до 12 стремятся образовывать гидролизованные и комплексные формы. Легкоподвижные элементы дают в водных растворах гидратированные ионы меньших размеров по сравнению с элементами малоподижными (таблица 5). Свободная энергия, которая требуется для образования этих ионов, обычно ниже, чем энергия образования ионов менее подвижных элементов. Поведение элементов в процессах выветривания и почвообразования существенно зависит от устойчивости исходных минералов и пород, а также от электрохимических свойств элементов [12].

По определению А.Е. Ферсмана, геохимическая миграция -- перемещение атомов химических элементов в земной коре, обычно ведущее к их рассеянию или концентрации. Геохимическое изучение пород и почв показало, что круговорот химических элементов в процессе экзогенеза зависит от физико-химических условий, влияющих на растворимость элементов, которые присутствуют в определенной среде (таблица 6). В зависимости от этих условий химические элементы находятся или в рассеянном состоянии, или накапливаются в процессе миграции. Поведение элементов в почвах и их геохимическая миграция существенно зависят от кислотно-основных и окислительно-восстановительных условий.

Таблица 5

Геохимические ассоциации и некоторые свойства химические элементов

Главные элементы (выделены шрифтом) и ассоциирующиеся с ними микроэлементы	pH осаждения гидроксидов	Ионный радиус, нм	Электроотрица-тельность, кДж/моль	Ионный потенциал(заряд : радиус)	Диаметр гидратирован-ного иона в водном растворе, нм
Fe2+	5,1 - 5,5	0,09 - 0,07	7,5	2,6	0,60
Cu2+	5,4-6,9	0,08	8,4	2,5	0,60
Mo4+	--	0,07	--	5,5	--
Mn2+	7,9 - 9.4	0,1-0,08	6,3	2,0	0,60
Zn2+	5,2 - 8,3	0,09 - 0,07	7,5	2,6	0,60
Fe3+	2,2-3,2	0,07 - 0,06	7,9	4,4	0,90
Со2+	7,2 - 8,7	0,08 - 0,07	7,1	2,6	0,60
Cd2+	8,0 - 9,5	0,103	--	--	--
Ni2	6,7 - 8,2	0,08	7,1	2,6	0,60
Cr3+	4,6 - 5,6	0,07	6,7	4,3	0,90
Mn4+	--	0,06	--	6,5	--
Mo6+	--	0,05	7,5	12,0	--
V5+	--	0,05	--	11,0	--
Al3+	3,8 - 4,8	0,06 - 0,05	6,3	5,5	0,90
Cr6+	--	0,04	--	16,0	--
Sn2+	2,3 - 3,2	0,13	7,5	1,5	--
Ti4+	1,4-1,6	0,07	6,3	5,8	--

Таблица 6

Подвижность элементов в зависимости от условий среды

Степень подвижности	Среда	Элементы
Высокая	Окислительная и кислая	В, Вr, I
	Нейтральная или щелочная	В, Вr, I, Mo, Re, U, V, W
	Восстановительная	Вr,I
Средняя	Окислительная и кислая	Cs, Mo, Ra, Rb, Se, Si, Zn
	Кислая	Ag, Au, Cd, Co, Cu, Hg, Ni
	Восстановительная, с переменным потенциалом	As, Cd, Co, Cr, F, Fe, Ge, Mn, Nb, Sb, Sn, Ti, U, V
Низкая	Окислительная и кислая	Ba, Be, Bi, Cs, Fe, Ga, Ge, La, Li, Th, Ti, I
	Нейтральная или щелочная	Ba, Be, Bi, Ge, Hf, Та, Fe, Zr
Очень низкая	Окислительная и кислая	Cr, Os, Pt, Rh, Ru, Та, Zr
	Нейтральная или щелочная	Ag, Au, Cu, Co, Ni, Th, Ti, Zn
	Восстановительная	Ag, B, Ba, Be, Bi, Co, Cu, Cs, Ge, Hg, Li, Mo, Ni, Ra, Re, Se, Zn, Zr

В число важнейших процессов, обусловливающих распределение различных элементов в почвах, входят:

1) выщелачивание из почвы;

2) осаждение;

3) включение в минералы;

4) адсорбция компонентами почвы;

5) сорбция органическим веществом.

В почвенной среде одновременно протекают разнообразные процессы взаимодействия между твердыми и газообразной фазами почвы, живым веществом и почвенным раствором, от которых зависят доминирующая форма соединения элемента и характер его распределения между фазами [12, 13].

Знание доминирующей реакции и формы соединения позволяет прогнозировать миграцию как природных, так и техногенных элементов между компонентами биосферы.

Химические свойства элементов играют ведущую роль при миграции в земной коре, причем растворимость соединений имеет важное значение для главных элементов литосферы.

Химические соединения с ионными связями в водных растворах диссоциируют и тогда мигрируют в форме ионов.

Низкая растворимость кремний и алюмокислородных соединений в воде в условиях земной поверхности препятствует их активной миграции. Наиболее низкую растворимость имеют сульфиды переходных элементов.

Соединения с преобладанием ковалентных связей иногда хорошо растворимы в воде, однако они слабо диссоциируют в водных растворах и мигрируют в виде комплексных ионов или комплексных радикалов.

Осаждение хорошо растворимых соединений и образование твердых фаз возможно только при упаривании природных растворов в условиях малого количества осадков и повышенной температуры. Для слаборастворимых соединений типа СаСО₃, MgCO₃, CaSO₄ выпадение в осадок контролируется произведением растворимости (ПР).

С ионами группы переходных элементов анионы поверхностных водбразуюткомплексные соединения, что играет важную роль в (геохимической миграции тяжелых металлов, в том числе свинца, ртути, кадмия, олова. Многие внутрикомплексные соединения -- хелаты -- хорошо растворимы в воде и способствуют переносу ионов металлов в поверхностных и грунтовых водах. По мнению А.И. Перельмана, образование комплексных ионов способствует повышению растворимости большинства металлов. Химический элемент связывается в форме устойчивого, хорошо растворимого комплексного соединения. Так, например, растворимость ртути значительно возрастает вследствие образования устойчивых ртутьорганических комплексов [13,14].

Химическая обстановка гипергенной миграции элементов в первую очередь характеризуется значениями рН и окислительно-восстановительного потенциала Е_h среды миграции. В условиях низких значений рН значительно возрастают растворимость и миграционная способность металлов. Такие катионы, как Со³⁺, Cr³⁺, Bi³⁺, Sn²⁺, Th⁴⁺, Zn⁴⁺, Sb³⁺, Fe³⁺, могут мигрировать только в кислых растворах и легко осаждаются при повышении рН. В обычных незагрязненных природных водах, имеющих нейтральную реакцию, содержание таких элементов невелико. А.И. Перельман (1965) отмечал, что низкое содержание в водах таких катионов, как Zn²⁺, Pb²⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Mn²⁺, Ag⁺ Cd²⁺, V³⁺, La³⁺, вызвано возможностью их нахождения в растворе при относительно высоких уровнях кислотности, тогда как повышение рН растворов вызывает выпадение в осадок гидроксидов. Высокие значения рН способствуют миграции таких элементов, как Cr⁶⁺, Мо⁶⁺, As⁵⁺, V⁵⁺, подвижных в щелочных растворах с рН > 7.

Значительное число реакций в зоне активной миграции химических элементов происходит по типу окислительно-восстановительных реакций. Активными окислителями являются кислород, галогены, Fe³⁺, Mn⁴⁺, As⁵⁺, V⁵⁺, Cr⁶⁺, S⁶⁺; активными восстановителями -- Fe²⁺, Co²⁺, Mn²⁺, S^2-. Окислительно-восстановительный потенциал Е_h является важной геохимической константой природных растворов, определяющей способность к окислению или восстановлению ионов. Эта способность зависит от присутствия одного или нескольких компонентов, определяющих направление окислительно-восстановительных реакций; к ним относятся свободный кислород, органические соединения, сероводород, ионы Fe²⁺ и Fe³⁺, Мn²⁺ и Мn⁴⁺. Удобным индикатором окислительно-восстановительного состояния среды может быть железо. Присутствие железа (II) говорит о наличии восстановительных процессов, а железа (III) (бурые, желтые, красноватые гидроксиды) -- окислительных.

Важную роль в процессах геохимической миграции химических элементов играют алюмосиликатные и органические коллоиды, имеющие отрицательный заряд и обладающие значительной способностью к сорбции катионов калия, бария, никеля, кобальта, меди, цинка, магния, золота, вольфрама, аммония, натрия. Коллоиды гидроксидов железа адсорбируют анионы фосфорной кислоты, ванадия, мышьяка. Адсорбционная способность ионов обычно хорошо коррелирует со скоростью выщелачивания.

Резкие изменения скорости миграции и темпов накопления химических элементов вызываются наличием так называемых геохимических барьеров. Выделяют следующие геохимические барьеры:

1) биогеохимические, вызванные интенсивным закреплением значительного числа макро- и микроэлементов живыми организмами;

2) физико-химические, увеличивающие или уменьшающие подвижность элементов за счет изменения степени окисления, адсорбции, образования гидроксидов, сульфидов и т. п.

Различают барьеры окислительные, восстановительные, глеевые, восстановительные сульфидные, сульфатно-карбонатные, щелочные, кислые, испарительные, адсорбционные, термодинамические;

3) механические, возникающие при изменении скорости воздушных или водных потоков, и вследствие фильтрационных эффектов. Роль механического барьера могут исполнять пористые известняковые породы, песчаные и глинистые прослои в толще породы и т. п.

Геохимические барьеры не остаются вечно неизменными; по мере накопления на геохимических барьерах различных веществ возможно разрушение исходных и образование новых барьеров. Например, первоначально иллювиальный карбонатный горизонт формируется в результате миграции кальция или интенсивного поступления СО₂; при этом образуется кальцит. Далее горизонт кальцита выступает как Щелочной карбонатный барьер для большой группы элементов: Sr, Pb, Zn, Cd, Со, Сu.

Ряд веществ при миграции теряет подвижность и задерживается на геохимическом барьере. В случае кумулятивного накопления на геохимических барьерах тяжелых металлов даже в слабоподвижных формах нарушается геохимическая устойчивость систем и они загрязняются, но при этом потоки вещества очищаются за счет удержания токсикантов, что ограничивает сферу загрязнения. Например, при поступлении вредных компонентов в составе газопылевых выбросов растительный покров является барьером, задерживающим техногенные потоки. Загрязненные воды проходят через почву, очищаются от техногенных продуктов, но сама почва в результате загрязняется. Компоненты техногенного потока, не задержанные почвой, проникают в нижележащие горизонты, достигают уровня почвенно-грунтовых вод и загрязняют их. Однако в водоносном горизонте и над ним продолжают действовать геохимические барьеры различного типа: сорбционные, восстановительные.

Ландшафтно-геохимические барьеры обладают различной проницаемостью для техногенных потоков и определенной емкостью по отношению к отдельным техногенным компонентам и ко всей их совокупности. Так, емкость щелочного барьера в почвах измеряется количеством карбонатов, способных нейтрализовать кислые техногенные потоки. Емкость сорбционного барьера зависит от емкости поглощения почв и мощности сорбирующего слоя. Емкость восстановительных и окислительных барьеров зависит от количества восстановителей или окислителей, что обусловлено микробиологической активностью среды [14].

Мощные техногенные потоки могут разрушить геохимические барьеры, создавать новые и вызывать коренные изменения в системе сопряженных ландшафтов, образуя (по А.И. Перельману) «техногенные геохимические барьеры». Техногенные барьеры можно создавать, усиливая некоторые природные барьеры или формируя новые на пути техногенных потоков (рис. 12).

5. Миграция химических загрязняющих веществ в биогеоценозе

Миграция химических загрязняющих веществ (ХЗВ) в биогеоценозе как наиболее геохимически активном блоке геосистемы тесно связана с их поведением в сопряженных с почвой природных водах.

Отдельной задачей является исследование миграции ХЗВ в геосистемах, испытывающих активное техногенное воздействие, поскольку, например, включение металлов в металлорганические соединения может иметь иные физиологические последствия для биоты, нежели присутствие элементов в обычных для геосистем формах. Техногенно аномальные геосистемы можно рассматривать как полигоны, в пределах которых особенности миграции техногенных продуктов проявляются наиболее ярко. Это имеет большое значение для разработки методики наблюдений в системе геохимического мониторинга, выявления наиболее чувствительных звеньев миграционной цепи, сигнализирующих о переходе геосистемы из фонового состояния в аномальное [15].

В процессах миграции химических загрязняющих веществ особое место занимает комплексообразование. Многие органические вещества, связывая ионы металлов в комплексы, способствуют их стабилизации и переносу в растворенном состоянии. Путем прямых наблюдений с мечеными соединениями установлено, что миграционная способность железа в форме, связанной с различными органическими компонентами почвенных растворов, на 1--2 порядка и более превосходит миграционную способность ионных форм железа.

Образование металлорганических комплексов иногда имеет положительное биологическое значение, инактивируя избыточные количества активных ионов тяжелых металлов или благоприятствуя растворению труднодоступных, но биологически важных элементов.

На растворимость соединений тяжелых металлов большое влияние оказывает концентрация их в растворе. При очень низкой концентрации микроэлементы не выпадают в осадок при соответствующем изменении реакции среды и при добавлении осадителей. Этот фактор играет важную роль в случае металлов, образующих труднорастворимые соединения при величинах рН и Е_h, характерных для природных вод. Миграционная способность микроэлементов в форме комплексных соединений не безгранична: она лимитируется устойчивостью самого соединения, возможностью конкуренции со стороны другого элемента, дающего более стойкий комплекс, выпадением в осадок самой комплексной соли.

Растворимые комплексы с органическими соединениями образует большинство металлов.

К ним, прежде всего, необходимо отнести комплексы, образуемые гуминовыми веществами и другими органическими кислотами с двух- и трехвалентными металлами.

Роль гуминовых веществ в переносе металлов в растворенном состоянии велика. От 50 до 75 % марганца, никеля, кобальта переносят в составе органических соединений речные воды.

В настоящее время установлено:

что низкомолекулярные соединения неспецифической природы играют небольшую роль в переносе ХЗВ, хотя их набор довольно широк -- щавелевая, фумаровая, лимонная и другие кислоты, танины, сахара, аминокислоты и пр.;

органические соединения типа фульвокислот образуют комплексы с поливалентными катионами;

более высокомолекулярные фракции способны связывать больше поливалентных катионов.

В работах B.C. Аржановой и П.В. Елпатьевского (1981, 1985) показана важная роль гумусового горизонта как физико-химического барьера для поллютантов, а также как арены изменения форм миграции. Специфику геохимических процессов в гумусовом горизонте почв обусловливают процессы превращения органических соединений, поэтому можно ожидать значительной роли последних в закреплении или, наоборот, в дальнейшей миграции ХЗВ.