Предмет и задачи экологии

Живое вещество образует ничтожно тонкий слой в общей массе геосфер Земли. По подсчетам ученых, его масса составляет 2420 млрд. т, что более чем в две тысячи раз меньше массы самой легкой оболочки Земли - атмосферы. Но эта ничтожная масса живого вещества встречается практически повсюду - в настоящее время живые существа отсутствуют лишь в области обширных оледенений и в кратерах действующих вулканов.

«Всюдность жизни» в биосфере обязана потенциальным возможностям и масштабу приспособляемости организмов, которые постепенно, захватив моря и океаны, вышли на сушу и захватили ее. В. И. Вернадский считает, что этот захват продолжается.

Вернадским В.И. четко определены верхний и нижний пределы распространения жизни. Верхний предел обусловливается лучистой энергией, приходящей из космоса и губительной для живых существ. Жесткое ультрафиолетовое излучение задерживается озоновым экраном, нижняя граница которого проходит на высоте 15 км: - это верхняя граница биосферы.

Нижний предел жизни связан с повышением температуры в земных недрах. На глубине 3 - 3,5 км температура достигает 100oС. Наибольшую мощность биосфера имеет в океане: от поверхности до максимальных глубин в нём обитают живые существа.

Вернадским В.И. отмечено, что вещество биосферы состоит из семи глубоко разнородных природных частей, геологически не случайных.

Совокупность живых организмов - живое вещество.

Вещества, создаваемые и перерабатываемые организмами. Это биогенное вещество является источником чрезвычайно мощной потенциальной энергии (каменный уголь, битумы, известняки, нефть).

Вещество, образуемое процессами, в которых живое вещество не участвует, - косное вещество (твёрдое, жидкое, газообразное).

Биокосное вещество, которое создаётся одновременно живыми организмами и косными телами. Такова вся океаническая и другая вода биосферы, почва, кора выветривания. Организмы в биокосном веществе играют ведущую роль.

Вещество, находящееся в радиоактивном распаде в форме немногих относительно прочных радиоактивных элементов,

Рассеянные атомы, которые непрерывно создаются из всякого рода земного вещества под влиянием космических лучей.

Вещество космического происхождения.

Вещества земного происхождения представлены в биосфере как живым, так и неживым веществом. К живому веществу относятся все живые организмы биосферы. Современное живое вещество является биогенным, так как оно образуется исключительно путем размножения уже существующего живого вещества.

По В.И. Вернадскому выделяется пять функций живого вещества:

- первая функция - газовая - основные газы атмосферы Земли, азот и кислород, биогенного происхождения, как и все подземные газы - продукт разложения отмершей органики;

- вторая функция - концентрационная - организмы накапливают в своих телах многие химические элементы, среди которых на первом месте стоит углерод, среди металлов - первый кальций, концентраторами кремния являются диатомовые водоросли, йод - водоросли (ламинария), фосфор - скелеты позвоночных животных;

- третья функция - окислительно-восстановительная - организмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или же осаждения ряда металлов (V, Mn, Fe) и неметаллов (S) с переменной валентностью;

- четвертая функция - биохимическая - размножение, рост и перемещение в пространстве («расползание») живого вещества;

- пятая функция - биогеохимическая деятельность человека - охватывает все разрастающееся количество веществ земной коры, в том числе таких концентраторов углерода, как уголь, нефть, газ и др., для хозяйственных и бытовых нужд человека.

Ноосфера как новая стадия эволюции биосферы

популяция экосистема ноосфера вернадский

Ноосфера (от греч. «ноос» - разум) - это понятие "сферы разума", которое ввёл французский математик и философ Ле-Руа в 1927 г., а обосновал Вернадский (1944). Это высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного общества, с периодом, когда разумная деятельность становится главным, определяющим фактором развития. По этому поводу Вернадский писал: "Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупной геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни".

Человек живет в биосфере, он может ее исследовать непосредственно всеми своими чувствами, может ее ощущать. За пределы биосферы он может проникать только построениями разума, исходя из накопленного знания, которое он может получить в биосфере зрительным исследованием небесного свода и изучением в биосфере отражений космических лучей или попадающего в биосферу космического, внеземного вещества.

Создание ноосферы в истории планеты (в масштабе исторического времени), интенсивно начавшееся несколько десятков тысяч лет тому назад, является событием огромной важности в истории нашей планеты, связанным, прежде всего, с ростом наук о биосфере, и, очевидно, не является случайностью.

Можно сказать, что биосфера является основной областью научного знания, хотя только сейчас мы выделяем её научную основу из окружающей нас реальности.

Живая природа является основной чертой проявления биосферы, она резко отличает её от других оболочек. Строение биосферы характеризуется её жизнью.

Вернадский писал, что мы в дальнейшем увидим, что между физически-геометрическими свойствами живых организмов, которая проявляется в виде совокупности живого вещества, и между такими же свойствами косной материи, составляющей подавляющую часть биосферы, по весу и по количеству атомов, лежит непреодолимая пропасть.

Он отмечал, что человек неразрывно связан с биосферой, существовать вне биосферы человек не может, его существование есть её функция, которую он несёт с собой, неизбежно изменяя её.

Сам Вернадский видел противоречивость отдельных положений концепции о ноосфере. Эти вопросы и сейчас вызывают острые споры среди исследователей. Например, Одум (1986) считает, что, несмотря на огромные возможности и способности человеческого разума к управлению природными процессами, тем не менее, ещё рано говорить о ноосфере, так как человек не может предугадать все последствия своих действий. Об этом свидетельствует множество возникших экологических проблем на нашей планете. Ряд учёных полагают, что правильнее говорить о существовании начальных стадий развития ноосферы (протоноосферы), имеющей принципиальные отличия от её будущего состояния.

В последние годы для изучения ноосферной стадии развития биосферы стали применять математическое моделирование, которое позволяет получать обширную информацию о возможном состоянии среды в связи с крупномасштабным воздействием на неё человека. Самой грандиозной попыткой такого рода подхода является экспериментальный комплекс Биосфера-2 в Аризоне (США). Его объём составил около 200 тыс. м3, площадь прозрачного покрытия - около 16 тыс. м2, в нём были размещены различные биомы: влажно-тропические леса, саванна, пустыня, болота, океан, агроэкосистема и жилые комплексы (8 исследователей). Так, влажно-тропические леса включали более 300 видов высших растений, саванна была представлена африканскими акациями, 35 видами злаков, бобовых; была воспроизведена экосистема кораллового рифа с гигантскими моллюсками и креветками. Из позвоночных в комплекс были введены: полуобезьяна галаго, пантеровая черепаха, ящерицы, лягушки и др. В агроэкосистеме имелись рисовые чеки, посевы зерновых, обеспечивающие питание учёным. Этот почти двухгодичный эксперимент позволил смоделировать сложные биогеохимические циклы биофильных элементов (азота, фосфора, серы и др.), изучить особенности круговорота диоксида углерода (составил всего 4 дня) и т.д. Но в то же время выявил существенные нарушения "биосферного" равновесия в комплексе: повышенное содержание CO2, уменьшение содержания кислорода с 21% до 16%, гибель некоторых видов растений и животных, недостаточную в сравнении с ожидаемой продуктивность культурных растений и т.д.

Такие малые искусственные экосистемы, скорее всего, являются моделью ноосферы, что может послужить основой для разработок новых принципов природопользования.

Именно такой ноосферный подход будет стимулировать ослабление нагрузки на биосферу и способствовать сохранению её основных структур, достаточность природных ресурсов и гарантированность развития человечества в будущем.

ПРИКЛАДНАЯ ЭКОЛОГИЯ

Общая характеристика загрязнений окружающей среды

Загрязнение - привнесение в окружающую среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных физико-химических и биологических веществ, агентов, оказывающих вредные воздействия, естественное загрязнение, возникшее в результате мощных природных процессов (извержение вулканов, лесные пожары, выветривание и пр.) без какого-либо влияния человека; и антропогенное - являющееся результатом деятельности человека, иногда по масштабам воздействия превосходящее естественное. Различные типы загрязнения подразделяются на три основных: физическое, химическое, биологическое.

Физическое загрязнение связано с изменением физических, температурно-энергетических, волновых и радиационных параметров внешней среды. Тепловое воздействие проявляется в ухудшении режима земной поверхности и условий жизни людей. Источником теплового загрязнения в пределах городских территорий служат: подземные газопроводы промышленных предприятий (140 160 0С), теплотрассы (50 150 0С), сборные коллекторы и коммуникации (35 45). Сюда относят воздействие шума и электромагнитное излучение.

Химическое загрязнение - увеличение количества химических компонентов определенной среды, а также проникновение (введение) в нее химических веществ, не свойственных ей или в концентрациях, превышающих норму. Наиболее опасным для природных экосистем и человека представляет химическое загрязнение, поставляющее в окружающую среду различные токсикаты (аэрозоли, химические вещества, тяжелые металлы, пестициды, пластмассы, детергенты).

По расчетам специалистов, в настоящее время в природной среде содержится от 7 до 8,6 млн. химических веществ. Многие химические вещества обладают канцерогенными и мутагенными свойствами, среди которых особенно опасны 200 наименований: бензол, асбест, безалирен, пестициды, тяжелые металлы, разнообразные красители и пищевые добавки.

Схема 1

Биологическое загрязнение - случайное или связанное с деятельностью человека проникновение в эксплуатируемые экосистемы и технологические устройства чуждых им растений, животных и микроорганизмов (бактериологическое); часто оказывает негативное влияние при массовом размножении пришлых видов. Особенно загрязняют среду предприятия, производящие антибиотики, ферменты, вакцины, сыворотки, кормовой белок и др., т.е. предприятие промышленного биосинтеза, в выбросах которого присутствуют живые клетки микроорганизмов. К биологическому загрязнению можно отнести преднамеренную и случайную интродукцию, чрезмерную экспансию живых организмов.

Существует еще классификация загрязнений окружающей среды, где загрязнение рассматривается как комплекс помех:

ингредиентное (химическое) загрязнение, представляющее собой совокупность веществ, количественно или качественно чуждых естественным биогеоценозам;

параметрическое (физическое) загрязнение, связанное с изменением качественных параметров окружающей среды;

биоценотическое загрязнение, заключающееся в воздействии на состав и структуру популяций живых организмов;

стациально-деструкционное загрязнение, представляющее собой изменение ландшафтов и экологических систем в процессе природопользования, связанное с оптимизацией природы в интересах человека.

Другая классификация загрязнения предложена Р. Парсоном и включает тип загрязнителя, его характер, источники, последствия и меры контроля. Так, он выделяет следующие типы носителей: стоячие воды и другие нечистоты, поглощающие кислород; носители инфекции; вещества, представляющие питательную ценность для растений; органические кислоты и соли; минералы и неорганические кислоты и соли; твердый сток; радиоактивные вещества.

В зависимости от масштабов распространения загрязнений различают глобальное, региональное и локальное загрязнение.

Резюмируя изложенное, можно кратко сформулировать последствия загрязнения следующим образом:

1. Загрязнение среды есть процесс нежелательных потерь вещества, энергии, труда и средств, приложенных человеком к добыче и заготовке сырья и материалов, превращающихся в безвозвратные отходы, рассеиваемые в биосфере.

2. Загрязнение имеет следствием необратимое разрушение как отдельных экологических систем, так и биосферы в целом, включая воздействие на глобальные физико-химические параметры среды.

3. Вследствие загрязнения теряются плодородные земли, снижается продуктивность экологических систем и биосферы в целом.

4. Загрязнение прямо или косвенно ведет к ухудшению физического и морального состояния человека как главной производительной силы общества.

5. Защита окружающей среды от загрязнения - одна из ключевых задач в общей проблеме оптимизации природопользования, сохранения качества среды для настоящего и будущих поколений людей.

Глобальное загрязнение называют также фоново-биосферным. Оно обнаруживается в любой точке планеты далеко от его источника. Например, ДДТ обнаружен в яйцах пингвинов в Антарктиде.

Региональное загрязнение - это такое привнесение в среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных для нее физических, химических, информационных и биологических агентов или превышение в рассматриваемое время естественного уровня концентрации агентов в среде.

Локальным загрязнением называется загрязнение небольшого региона, как правило, вокруг промышленного предприятия, населенного пункта. На жизнедеятельность человека оказывают влияние все виды загрязнений окружающей его среды и продуктов питания.

Антропогенные воздействия на атмосферу и её защита

Общая характеристика структуры и состава атмосферы

Жизнь на Земле возможна до тех пор, пока существует атмосфера ? газовая оболочка, защищающая живые организмы от вредного воздействия космических лучей и низкой температуры.

Масса воздуха в атмосфере достигает 5,15·10 т. Основная часть его (до 80%) находится в нижнем, приземном слое ? тропосфере. Толщина тропосферы составляет в среднем 11?12 км: 8?10 км над полюсами и 16-18 км над экватором. При удалении от поверхности Земли в атмосфере происходит понижение температуры на 60С на каждый километр. На высоте 18 ? 20 км плавное уменьшение температуры прекращается, она остается почти постоянной (50?60)0 С. Этот участок называется тропопаузой.

Следующий слой - стратосфера - находится на расстоянии 20?50 км от земной поверхности. В ней сосредоточена почти вся остальная часть воздуха.

Здесь температура повышается при удалении от поверхности Земли на 1?20С на каждый километр и в стратопаузе на высоте 50?55 км доходит до 00С.

Далее идет слой мезосферы, расположенный на высоте 55?80 км. При удалении от Земли температура в нем понижается на 2-30С на 1 км, и на высоте 80 км, в мезопаузе, она достигает -(70?90)0С.

Слои термосферы (80?1000 км) и экзосферы (1000?2000 км) ? наиболее разрежённые части атмосферы.

Здесь встречаются лишь отдельные молекулы, атомы и ионы газов. Следы газов обнаруживаются до высоты 10?20 тыс. км.

Толщина воздушной оболочки Земли сравнительно невелика при сопоставлении с космическими расстояниями: она составляет 1/4 радиуса Земли и 0,00001 расстояния от Земли до Солнца. Плотность атмосферы на уровне моря равна 0,001 г/см, что в 1000 раз меньше плотности воды.

Основные загрязнители атмосферы

Загрязнение воздуха - это привнесение в атмосферу или возникновение в ней новых, чуждых ей химических соединений, биологических систем, а также физических воздействий. Очень важно сознавать, что загрязнение атмосферы ? это не одна, а множество примесей к основным компонентам воздуха. Более того, количество каждого конкретного загрязнителя сильно изменяется в зависимости от расстояния до источника загрязнения, направления ветра, погодных условий, состава и концентрации смеси, воздействию которой организм подвергается. Количества меняются изо дня в день, каждый час и от места к месту. Это означает, что последствия, наблюдаемые нами, практически никогда не бывают вызваны единственным загрязнителем. Все они ? результат комбинированного воздействия целой смеси загрязнителей.

В качестве наиболее распространенных и опасных были выделены 8 категорий загрязнителей по Б.Небелу (см. табл. 2).

Главные источники основных загрязнителей воздуха: трубы промышленных предприятий; печи, сжигающие отходы; двигатели транспортных средств; угольные электростанции.

Мероприятия по защите атмосферы

Общие подходы к снижению и предотвращению загрязнения атмосферы можно классифицировать по двум основным направлениям: 1) мероприятия, проводимые с целью предотвращения негативных воздействий на окружающую среду; 2) мероприятия, направленные на ликвидацию последствий вредных воздействий.

Мероприятия, снижающие выброс загрязняющих веществ и уровень вредных воздействий:

? совершенствование технологических процессов и внедрение малоотходных и безотходных технологий;

? изменение состава и улучшение качества используемых ресурсов (удаление серы из топлива, переход с угля на нефть или газ, с бензинового топлива на водородное и др.);

Таблица 2

Виды загрязнителей	Основные источники загрязнения	Возможное влияние на состояние атмосферы
Взвеси (крошечные частицы и капли), находящиеся во взве- шенном состоянии	Разработка полезных ископаемых, вспашка почвы, металлургические производства	Изменение климата, состояния озонового слоя, создание смога
Углеводороды (УВ) и другие летучие органические соединения	Химическая, нефтехимическая промышленность, сжигание топлива, выбросы транспорта, курение	Нарушение теплообмена атмосферы с гидросферой, изменение климата, состояния озонового слоя, усиление парникового эффекта
Угарный газ (СО)	Сжигание топлива, транспорт	Нарушение теплового баланса верхних слоев атмосферы, изменение климата
Оксиды азота (NxOy)	Сжигание топлива, авиация, транспорт, минеральные удобрения	Образование кислотных осадков, изменение состояния озонового слоя, создание смога
Оксид серы (SO2)	Сжигание топлива, металлургические производств	Изменение климата, кислотные осадки
Озон (О3) в приземном слое и другие фотохимические окислители	Фотохимические реакции в атмосфере	Изменение климата, сильное влияние на здоровье человека
Тяжелые металлы (Hg, Cd, Zn, Cu и др.)	Транспорт, металлургия	Сильное влияние на живые организмы
Радиация	Естественная и искусственная (медицина, ядерная энергетика)	Злокачественные образования и генетические мутации

? установка очистных сооружений с последующей утилизацией улавливаемых отходов;

? комплексное использование сырья и снижение потребления ресурсов, производство которых связано с загрязнением среды;

? научно-исследовательские и научно-технические разработки, результаты которых делают возможным и стимулируют внедрение перечисленных выше мер - разработка стандартов на качество окружающей природной среды, оценка экологической емкости экосистем, создание системы эколого-экономических показателей хозяйственной деятельности и др.

Мероприятия, позволяющие снижать степень распространения загрязняющих веществ и других вредных воздействий:

? строительство высоких и сверхвысоких труб;

? нейтрализация выбросов, их захоронение и консервация;

? доочистка используемых ресурсов перед поступлением к потребителю (установка кондиционеров и воздуховодов для очистки воздуха в помещениях);

? устройство санитарных охранных зон вокруг промышленных предприятий и на водных объектах, озеленение городов и поселков;

? оптимальное расположение промышленных предприятий и автотранспортных магистралей (с учетом гидрометеорологических факторов) для минимизации их отрицательных воздействий;

? рациональная планировка городской застройки с учетом розы ветров, шумовых нагрузок и др.

Рассмотрим в качестве примеров некоторые принципиальные схемы очистки выбросов в атмосферу. Для очистки газовых выбросов обычно используют осаждение пыли в гравитационном, центробежном, электрическом или акустическом полях, методы абсорбции, хемосорбции и реагентные.

Очистка газовых выбросов от пыли чаще всего осуществляется в аппаратах-циклонах.

Для фильтрования газов от пыли используют различные фильтры, например тканевые с набивкой или с насыпным фильтрующим слоем. Основную группу составляют разнообразные тканевые фильтры - хлопковые, шерстяные, капроновые, лавсановые, стекловолоконные.

Электрофильтры - наиболее совершенные аппараты для очистки газов от пылей и туманов. Процесс очистки основан на так называемой ударной ионизации газа в зоне разряда. Загрязненные газы, поступающие в электрофильтр, частично ионизированы за счет внешних воздействий. При достаточно большом напряжении, подаваемом на электроды, в электрическом поле движение ионов и электронов настолько ускоряется, что, сталкиваясь с молекулами газов, они ионизируют их, расщепляя на положительные ионы и электроны. Образовавшийся поток ионов ускоряется электрическим полем, и реакция повторяется (наступает лавинообразный процесс). Этот процесс называется ударной ионизацией. Электрофильтры обычно делают с отрицательными электродами, при этом положительно заряженные частицы под действием электростатических, аэродинамических сил и силы тяжести осаждаются. Периодическая очистка фильтра достигается встряхиванием электродов.

Очистка промышленных выбросов от токсичных газообразных примесей осуществляется с использованием: 1) абсорбции - промывки выбросов жидкими растворителями; 2) хемосорбции - промывки растворами реагентов, химически связывающими примеси; 3) адсорбции - поглощения примесей твердыми активными веществами; 4) химических превращений примесей в присутствии катализаторов (каталитические методы).

При абсорбции поглощающую жидкость (абсорбент) выбирают в зависимости от растворимости в ней удаляемого газа, его температуры и парциального давления. Например, для удаления из технологических выбросов аммиака NH3, хлороводорода HCl, фтороводорода HF целесообразно в качестве абсорбента применять воду, так как растворимость этих газов в воде велика. В других случаях можно применять раствор серной кислоты (для улавливания водяных паров) или вязкие масла (для улавливания ароматических углеводородов) и др. Регенерация растворителя, т.е. десорбция из него газов проводится путем повышения температуры или понижения давления в термических или вакуумных десорберах.

Хемосорбция основана на поглощении газов реагентами с образованием малолетучих или малорастворимых соединений. Примером может служить очистка газовоздушной смеси от сероводорода с применением мышьяково-щелочного реагента:

H2S + Na4As2S5O2 = Na4As2S6O + H2O.

Регенерация раствора проводится окислением его кислородом, содержащимся в очищенном воздухе:

2Na4As2S6O + О2 = 2Na4As2S5O2 + 2S.

В этом случае побочным продуктом является сера. Могут применяться и другие реагенты и иониты. Иониты - это твердые вещества, способные обмениваться ионами с фильтруемыми через них жидкими или газообразными смесями. Это или природные материалы (цеолиты или глины), или синтетические полимеры (смолы).

Адсорбция процесс избирательного поглощения компонентов газовой смеси твердыми веществами. При физической адсорбции молекулы адсорбента не вступают в химическое взаимодействие с молекулами газовой смеси. Требования к адсорбентам: большая адсорбционная способность, селективность (избирательность), химическая инертность, механическая прочность, способность к регенерации, низкая стоимость. Наиболее распространенные адсорбенты - активные угли, силикагели, алюмосиликаты. С увеличением температуры адсорбционная способность снижается. На этом свойстве основан процесс регенерации, которую осуществляют либо нагревом насыщенного адсорбента до температуры выше рабочей, либо продувкой его горячим паром или воздухом.

Каталитические методы очистки газов основаны на использовании катализаторов, ускоряющих химические реакции. В последние годы каталитические методы применяются для нейтрализации выхлопных газов автомобилей, т.е. превращения токсичных оксидов азота NO и углерода СО в нетоксичные: газообразный азот N2 и диоксид углерода СО2. При этом используют различные катализаторы: медно-никелевый сплав, платину на глиноземе, медь, никель, хром и др:

2 NO + 2СО > кат N2 + 2СО2;

2 NO + 2Н2 > кат N2 + 2Н2О;

2СО + О2 > кат 2СО2.

Нормирование качества воздуха и регламентация условий выбросов загрязняющих веществ

Нормирование качества воздуха - это деятельность по установлению нормативов предельно допустимых воздействий человека на атмосферу. Гигиенические нормативы - наиболее разработанная система норм, правил и регламентов для оценки качества воздуха.

Предельно допустимые концентрации (ПДК) - это такие концентрации вредных веществ, которые практически не оказывают влияния на здоровье человека и не вызывают неблагоприятных последствий у его потомства.

ПДКвозд. - предельно допустимая концентрация вредного вещества в воздухе. ПДК макс. раз. характеризует разовое, единовременное воздействие на организм человека, к которому он более устойчив в допустимых пределах, чем к хроническому, так как после снятия воздействия организму дается время для самовосстановления. ПДК раб. зоны рассчитывается на относительно здоровую (работоспособную) часть населения, воздействие на которую происходит в рабочее время. Содержание загрязняющих веществ, ниже которого болезненные реакции не наблюдаются, называется пороговым уровнем.

При больших количествах загрязнителя проявляются последствия для здоровья. Они зависят как от концентрации вредного вещества, так и от длительности его воздействия (экспозиции).

Уровень загрязнения воздуха определяется тремя факторами:

1) поступление загрязнителей в воздух (величина выброса);

2) объем пространства, в котором они рассеиваются (высота выброса, направление и скорость ветра, разность t0, влажность воздуха);

3) удаление загрязнителей из воздуха (расстояние до источника выброса).

Когда загрязнители смешиваются с достаточно большими объемами воздуха, их концентрация понижается вплоть до порогового уровня. В дальнейшем почвенные микроорганизмы или другие природные процессы могут поглотить и ассимилировать загрязняющие вещества, полностью устранив их из среды. К сожалению, современная цивилизация производит такие количества и такие типы загрязняющих веществ, что мнение «природа сама справится с загрязнением» не выдерживает критики.

Сорок четыре города России имеют высокий уровнь загрязнения воздуха (индекс загрязнения более 14). К ним относятся такие крупные города и промышленные центры, как Москва, Екатеринбург, Красноярск, Магнитогорск, Новосибирск, Челябинск, Кемерово.

Выпадения свинца и кадмия от зарубежных источников составляют около 30% суммарного загрязнения этими металлами европейской территории России, однако в западных регионах России эта доля значительно больше. Таким образом, трансграничный перенос существенно загрязняет территорию РФ.

Загрязнение гидросферы и её защита

Под загрязнением водоемов понимают снижение их биосферных функций и экологического значения в результате поступления в них вредных веществ. Загрязнение вод проявляется в изменении физических и органолептических свойств (нарушение прозрачности, окраски, запахов, вкуса), увеличении содержания сульфатов, хлоридов, нитратов, токсичных тяжелых металлов, сокращении растворенного в воде кислорода воздуха, появлении радиоактивных элементов, болезнетворных бактерий и других загрязнителей.

Россия обладает одним из самых высоких водных потенциалов в мире на каждого жителя.

России приходится свыше 30 000 м3 в год воды. Однако в настоящее время из-за загрязнения или засорения около 70% рек и озер России утратили свои качества как источника питьевого водоснабжения, в результате около половины населения потребляют загрязненную недоброкачественную воду. Нарушено исторически сложившееся равновесие в водной среде Байкала - уникальнейшем озере нашей планеты, которое, по подсчетам ученых, могло бы обеспечить чистой водой все человечество в течение почти полустолетия. Только за последние 15 лет загрязнено более 100 км3 байкальской воды. На акваторию озера ежегодно поступает более 8500 т нефтепродуктов, 750 т нитратов, 13 тыс. т хлоридов и других загрязнителей. Ученые полагают, что только размеры озера и огромный объем водной массы, а также способность биоты участвовать в процессах самоочищения спасают экосистему Байкала от полной деградации.

Главные загрязнители вод. Установлено, что более 400 видов веществ могут вызвать загрязнение вод. В случае превышения допустимой нормы хотя бы по одному из трех показателей вредности: санитарно-токсикологическому, общесанитарному или органолептическому, вода считается загрязненной.

Различают химические, биологические и физические загрязнители (П. Бертокс, 1980). Среди химических загрязнителей к наиболее распространенным относят нефть и нефтепродукты, СПАВ (синтетические поверхностно-активные вещества), пестициды, тяжелые металлы, диоксины и др. Очень опасно загрязняют воду биологические загрязнители, например вирусы и другие болезнетворные микроорганизмы, и физические - радиоактивные вещества, тепло и др.

Основные виды загрязнения вод. Наиболее часто встречается химическое и бактериальное загрязнение. Значительно реже наблюдается радиоактивное, механическое и тепловое загрязнение.

Химическое загрязнение - наиболее распространенное, стойкое и далеко распространяющееся. Оно может быть органическим (фенолы, нафтеновые кислоты, пестициды и др.) и неорганическим (соли, кислоты, щелочи), токсичным (мышьяк, соединения ртути, свинца, кадмия и др.) и нетоксичным. При осаждении на дно водоемов или при фильтрации в пласте вредные химические вещества сорбируются частицами пород, окисляются и восстанавливаются, выпадают в осадок и т. д., однако, как правило, полного самоочищения загрязненных вод не происходит. Очаг химического загрязнения подземных вод в сильно проницаемых грунтах может распространяться до 10 км и более.

Бактериальное загрязнение выражается в появлении в воде патогенных бактерий, вирусов (до 700 видов), простейших, грибов.

Весьма опасно содержание в воде, даже при очень малых концентрациях, радиоактивных веществ, вызывающих радиоактивное загрязнение. Наиболее вредны «долгоживущие» радиоактивные элементы, обладающие повышенной способностью к передвижению в воде (стронций-90, уран). Радиоактивные элементы попадают в поверхностные водоемы при сбрасывании в них радиоактивных отходов, захоронении отходов на дне и др. В подземные воды уран, стронции и другие элементы попадают как в результате выпадения их на поверхность земли в виде радиоактивных продуктов и отходов и последующего просачивания в глубь земли вместе с атмосферными водами, так и в результате взаимодействия подземных вод с радиоактивными горными породами. Механическое загрязнение характеризуется попаданием в воду различных механических примесей (песок, шлам, ил и др.). Механические примеси могут значительно ухудшать органолептические показатели вод.

Применительно к поверхностным водам выделяют еще их загрязнение (а точнее, засорение) твердыми отходами (мусором), остатками лесосплава, промышленными и бытовыми отходами, которые ухудшают качество вод, отрицательно влияют на условия обитания рыб, состояние экосистем.

Тепловое загрязнение связано с повышением температуры вод в результате их смешивания с более нагретыми поверхностными или технологическими водами. Так, например, известно, что на площадке Кольской атомной станции, расположенной за Полярным кругом, через 7 лет после начала эксплуатации температура подземных вод повысилась с 6 до 19°С вблизи главного корпуса. При повышении температуры происходит изменение газового и химического состава в водах, что ведет к размножению анаэробных бактерий, росту гидробионтов и выделению ядовитых газов - сероводорода, метана. Одновременно происходит «цветение» воды, а также ускоренное развитие микрофлоры и микрофауны, что способствует развитию других видов загрязнения. По существующим санитарным нормам температура водоема не должна повышаться более чем на 3°С летом и 5 °С зимой, а тепловая нагрузка на водоем не должна превышать 12-17 кДж/м3.

Основные источники загрязнения поверхностных и подземных вод

Процессы загрязнения поверхностных вод обусловлены различными факторами. К основным из них относятся 1) сброс в водоемы неочищенных сточных вод, 2) смыв ядохимикатов ливневыми осадками, 3) газодымовые выбросы, 4) утечки нефти и нефтепродуктов.

Наибольший вред водоемам и водотокам причиняет выпуск в них неочищенных сточных вод - промышленных, коммунально-бытовых, коллекторно-дренажных и др.

Промышленные сточные воды загрязняют экосистемы самыми разнообразными компонентами в зависимости от специфики отраслей промышленности. Следует заметить, что в настоящее время объем сброса промышленных сточных вод во многие водные экосистемы не только не уменьшается, но и продолжает расти. Так, например, в 1995 г. в озеро Байкал, вместо планируемого прекращения сброса сточных вод из ЦБК (целлюлозно-бумажного комбината) и перевода их на замкнутый цикл водопотребления, было сброшено сточных вод на 21% больше, чем в 1994 г.

Коммунально-бытовые сточные воды в больших количествах поступают из жилых и общественных зданий, прачечных, столовых, больниц, и т. д. В сточных водах этого типа преобладают различные органические вещества, а также микроорганизмы, что может вызвать бактериальное загрязнение.

Огромное количество таких опасных загрязняющих веществ, как пестициды, аммонийный и нитратный азот, фосфор, калий и др. смываются с сельскохозяйственных территорий, включая площади, занимаемые животноводческими комплексами. По большей части они попадают в водоемы и в водотоки без какой-либо очистки, а поэтому имеют высокую концентрацию органического вещества, биогенных элементов и других загрязнителей.

Значительную опасность представляют газодымовые соединения (аэрозоли, пыль и т д ), оседающие из атмосферы на поверхность водосборных бассейнов и непосредственно на водные поверхности. Плотность выпадения, например, аммонийного азота на европейской территории России оценивается в среднем 0,3 т/км2, а серы от 0,25 до 2,0 т/км2.

Огромны масштабы нефтяного загрязнения природных вод. Миллионы тонн нефти ежегодно загрязняют морские и пресноводные экосистемы при авариях нефтеналивных судов, на нефтепромыслах в прибрежных зонах, при сбросе с судов балластных вод и т. д.

Кроме поверхностных вод, постоянно загрязняются и подземные воды, в первую очередь в районах крупных промышленных центров. Источники загрязнения подземных вод весьма разнообразны.

Загрязняющие вещества могут проникать к подземным водам различными путями при просачивании промышленных и хозяйственно-бытовых стоков из хранилищ, прудов-накопителей, отстойников и др. по затрубному пространству неисправных скважин, через поглощающие скважины, карстовые воронки и т. д.

К естественным источникам загрязнения относят сильно минерализованные подземные воды или морские воды, которые могут внедряться в пресные незагрязненные воды при эксплуатации водозаборных сооружений и откачке воды из скважин.

Важно подчеркнуть, что загрязнения подземных вод не ограничиваются площадью промпредприятий, хранилищ отходов и т. д., а распространяются вниз по течению потока на расстояния до 20-30 км и более от источника загрязнения. Это создает реальную угрозу для питьевого водоснабжения в этих районах.

Следует также иметь в виду, что загрязнение подземных вод негативно сказывается и на экологическом состоянии поверхностных вод, атмосферы, почв, других компонентов природной среды. Например, загрязняющие вещества, находящиеся в подземных водах, могут выноситься фильтрационным потоком в поверхностные водоемы и загрязнять их. Как подчеркивают многие ученые, круговорот загрязняющих веществ в системе поверхностных и подземных вод предопределяет единство природоохранных и водоохранных мер и их нельзя разрывать. В противном случае меры по охране подземных вод вне связи с мерами по защите других компонентов природной среды будут неэффективными.

Антропогенные воздействия на литосферу и её защита

Загрязнение литосферы и ее защита

Литосфера - верхняя твердая оболочка Земли, постепенно с глубиной переходящая в сферы с меньшей прочностью вещества. Включает земную кору и верхнюю мантию Земли. Мощность литосферы 50 - 200 км, в том числе земной коры до 50 - 75 км на континентах и 5 - 10 км на дне океана. Верхние слои литосферы (до 2 - 3 км, по некоторым данным - до 8,5 км) называются литобиосферой. Суша занимает 29,2 % поверхности земного шара и включает земли различной категории.

При неправильной эксплуатации земли безвозвратно уничтожаются, что связано с эрозией, засолением, горнопромышленными разработками или загрязнением промышленными отходами. Под влиянием деятельности людей возникает ускоренная эрозия. В этом случае почва разрушается в 100 - 1000 раз быстрее, чем в природных условиях. В результате ускоренной эрозии за последнее столетие потеряно 2 млрд. га плодородных земель, или 27 % земель активного сельскохозяйственного использования.

Наиболее сильно подвергается загрязнению верхний слой литосферы - почва. В почве протекают различные физические, химические и биологические процессы, которые в результате загрязнений нарушаются. Загрязнение почв связано с загрязнением атмосферы и вод. В почву попадают твердые и жидкие промышленные, сельскохозяйственные и бытовые отходы. Основными загрязняющими почву веществами являются металлы и их соединения, радиоактивные вещества, удобрения и пестициды.

Существует следующее подразделение источников загрязнения почвы:

1. Жилые дома и бытовые предприятия. В числе загрязняющих веществ преобладают бытовой мусор, пищевые отходы, фекалии, строительный мусор, отходы отопительных систем, пришедшие в негодность предметы домашнего обихода; мусор общественных учреждений, больниц, столовых, гостиниц, магазинов и др.

2. Промышленные предприятия. В твердых и жидких промышленных отходах постоянно присутствуют те или иные вещества, способные оказывать токсическое воздействие на живые организмы и их сообщества. Например, в отходах металлургической промышленности обычно присутствуют соли цветных и тяжелых металлов. Машиностроительная промышленность выводит в окружающую среду цианиды, соединения мышьяка, бериллия, при производстве пластмасс и искусственных волокон образуются отходы бензола, фенола; фенолы, метанол, скипидар, кубовые остатки - обычные отходы целлюлозно-бумажного производства.

3. Теплоэнергетика. Помимо образования массы шлаков при сжигании каменного угля с теплоэнергетикой связано выделение в атмосферу сажи, несгоревших частиц, окислов серы, в конечном итоге оказывающихся в почве.

4. Сельское хозяйство. Удобрения, ядохимикаты, применяемые в сельском, и лесном хозяйстве для защиты растений от вредителей, болезней и сорняков.

5. Транспорт. При работе двигателей внутреннего сгорания интенсивно выделяются оксиды азота, свинец, углеводороды и другие вещества, оседающие на поверхность почвы или поглощаемые растениями. В последнем случае эти вещества также оказываются в почве, вовлекаются в природные круговороты, связанные с |пищевыми цепями.

Самоочищение почв практически не происходит или происходит очень медленно. Токсичные вещества накапливаются, что способствует постепенному изменению химического состава почв, нарушению единства геохимической среды и живых организмов. Из почвы токсичные вещества могут попасть в организмы животных, людей и вызвать нежелательные последствия.

В почвах накапливаются металлы, например железо, ртуть, свинец, медь и др. Ртуть поступает в почву с пестицидами и промышленными отходами. Суммарные неконтролируемые выбросы ртути составляют 4 - 5 тыс. т в год, а из каждой тонны добываемого свинца до 25 кг поступает в окружающую среду. Огромное количество свинца выделяется в атмосферу и с выхлопными газами автомобилей. В конечном итоге соединения свинца с осадками попадают в почву и водоемы. В промышленных районах содержание свинца в почвах обычно в 25 - 27 раз больше, чем в сельскохозяйственных.

Техногенное поступление меди и цинка ежегодно составляет 35 и 27 кг/км2 соответственно. Повышенное содержание этих металлов в почвах приводит к замедлению роста растений и снижению урожайности.

Радиоактивные элементы попадают в почву при удалении жидких и твердых отходов, а также с осадками после ядерных взрывов и различных аварий. Большое количество отходов образуется при добыче и обогащении полезных ископаемых

Тепловые электростанции дают 70 млн. т пылевидной золы и кусковых шлаков в год. Ежегодные затраты на содержание и эксплуатацию золоотвалов исчисляются многими десятками миллионов рублей. Отвалы крупной тепловой электростанции занимают 400 - 800 га ценных земель. Эти отходы представляют собой ценное сырье для производства строительных материалов. В золе находится 17 - 40 % Аl2O3, 25 - 40 % железа. Таким образом, зола может быть сырьем для извлечения ряда металлов. Одно из преимуществ извлечения металлов из золы - отсутствие необходимых затрат на добычу и измельчением исходного сырья, сопровождающееся загрязнением водного и воздушного бассейнов. Зола может быть использована в производстве наполнителей бетонного, силикатного кирпича и др., шлаки - в производстве шлакоситаллов, шлакопортландцемента.

Постоянно возрастает количество бытовых отходов, только в США ежегодно выбрасывается свыше 30 млрд. стеклянных бутылок, 60 млрд. разнообразных металлических емкостей. На мусорные свалки, занимающие большие площади, ежегодно поступают отходы, содержащие бумагу, резину, пластмассы, отходы пищевых продуктов, текстильных материалов и т. д.

Нормирование загрязняющих веществ в почве

Нормирование загрязняющих веществ в почве имеет три направления: во-первых, нормирование содержания ядохимикатов в (корнеобитаемом) слое почвы сельскохозяйственных угодий, во-вторых, нормирование накопления токсичных веществ на территории предприятия, и, в-третьих - нормирование загрязненной почвы в жилых районах, преимущественно в местах временного хранения бытовых отходов. В пахотном слое почвы вредные вещества нормируются по двум показателям: предельно допустимым (ПДКп) и временно допустимым концентрациям (ВДКп). Для установления ПДКп используют данные о фоновых концентрациях исследуемых веществ, их физико-химических свойствах, параметрах стойкости, токсичности. При этом экспериментально устанавливают:

- допустимую концентрацию веществ в почве, при которой его содержание в пищевых и кормовых растениях не превысит некоторых допустимых остаточных количеств (ДОК), иначе называемых ПДК в продуктах питания (ПДКпр);

- допустимую (для летучих веществ) концентрацию, при которой поступление вещества в воздух не превысит установленных ПДК для атмосферного воздуха (ПДКа.в.);

- допустимую концентрацию, при которой поступление вещества в грунтовые воды не превысит ПДК для водных объектов;

- допустимую концентрацию, не влияющую на микроорганизмы и процессы самоочищения почвы.

Наиболее жесткие из ряда названных показателей принимают в качестве ПДКп причем сравнение идет по одноименным показателям вредности, т.е. по сходному действию разных веществ.

Таким путем нормируется содержание в почве пестицидов (веществ, применяемых для уничтожения вредителей, возбудителей болезней, сорняков) и ряда химических элементов преимущественно тяжелых металлов, галогенов (например, хлора), а также микроэлементов. Причем содержание примесей нормируется в зависимости от вида пищевых продуктов, выращиваемых на данной почве или в данном хозяйстве (мясных, молочных, рыбных, растительных).

Установленных ПДКп в основном для ядохимикатов, применяемых в защите растении от вредителей, болезней, сорняков.

Временно допустимые концентрации ВДКп, в отличие от ПДКп, определяются расчетным путем для тех пестицидов, которые разрешены к использованию или в силу своих химических особенностей не требуют обязательного определения ПДК. Для этого применения уравнения регрессии, полученные эмпирическим путем, которые связывают ПДКп, например, с предельно допустимыми концентрациями в пищевых продуктах

ВДКп=1,23+0,48 lg ПДКпр.

Санитарное состояние почвы оценивается по ряду гигиенических показателей, в том числе по так называемому санитарному числу, т.е. отношению содержания белкового азота к общему органическому. Кроме того, учитывается наличие кишечной палочки (коли-титр) личинок мух, яиц гельминтов. По комплексу этих показателей почва оценивается как чистая, так и загрязненная.

Нормативы накопления токсичных отходов на территории предприятия устанавливаются на основе совокупности показателей, включающих размеры территории складирования, токсичность и химическую активность соединений, присутствующих в отходах. Для этого также существует ряд формул, хотя принципы такого нормирования и общие подходы к нему могут варьировать в регионах с различными почвенными и климатическими условиями.

Обычно нормируются два показателя: предельное количество токсичных промышленных отходов на территории предприятия и предельное содержание токсичных соединений в промышленных отходах.

Предельное количество отходов на территории предприятия - это такое их количество, которое можно размещать при условии, что возможно выделение вредных веществ в воздухе не превысит 30% от ПДК в воздухе рабочей зоны предприятия ПДКр.з.. При этом вещества, наиболее опасные и даже хранимые в герметизированной таре, а также токсичные отходы очистных сооружений удаляются с территории предприятий в течение суток. Твердые сыпучие отходы, хранящиеся в контейнерах, пластиковых пакетах и бумажных мешках, удаляются в течение двух суток. Предельное количество отходов и их судьбу определяют путем замеров содержания токсичных веществ в воздухе (с учетом эффекта суммации), получением средневзвешенной концентрации и делением ее на соответствующее значение ПДК (точнее - 30% от ПДКр.з.). Если отношение

С/0,3 ПДКр.з. > 1,

то количество находящихся на территории отходов является предельным и они подлежат немедленному удалению.

Предельное содержание токсичных соединений (в г/кг или мг/кг) в отходах определяется классом опасности этих отходов. Здесь используются сложные многоступенчатые расчеты, конечной целью которых является установление ПДК токсичных веществ в общей массе отходов. В расчетных формулах используются средняя летальная доза ЛД50, коэффициент растворимости исследуемого вредного компонента, его летучесть и некоторые промежуточные показатели, в частности суммарный индекс опасности всех компонентов в отходах.

Контроль загрязнения почв осуществляется преимущественно в условиях населенных пунктов органами санэпидслужбы и включает: предупредительный надзор, заключающийся в апробации генеральных схем очистки и проектов сооружений по очистке и обезвреживанию твердых промышленных и бытовых отходов, и текущий с целью обеспечения санитарной охраны почвы, современного сбора и удаления промышленных отходов и вторичного сырья. Под контролем санитарной службы находится не только сбор. Но и транспортировка отходов, согласование мест их захоронения и переработки. Это касается осадков водоочистных сооружений (скопов, отработанного активного ила и др.).

Кроме того, существует ряд дополнительных показателей санитарного состояния почвы, определяемых как на территории произведенных предприятий, так и населенных пунктов. К ним относятся:

- санитарно-физико-химические оценки, касающиеся в основном почвенных фильтратов (санитарное число, кислотность, биохимическое потребление кислорода, окисляемость, содержание сульфатов, хлоридов и др.;

- санитарно-экологические оценки - численность синантропных (связанных с жильем и бытом) насекомых, в первую очередь, - мух во всех фазах их развития: взрослые особи, личинки, куколки;

- санитарно-гельминтологические оценки, характеризующие наличие в почве, в местах, посещаемых населением, гельминтов (червей, паразитирующих в органах человека, животных и растений: - цестод, нематод, трематод и др.);

- санитарно-бактериологические оценки, включая наличие бактерий кишечной группы, а также других микроорганизмов, вызывающих заболевания человека и домашних животных.

Защита литосферы

Защита почв от прогрессирующей деградации и необоснованных потерь - наиболее острые экологические проблемы в земледелии, которые еще далеки от своего решения.

В число основных звеньев экологической защиты почв входят:

- защита почв от водной и ветровой эрозии;

- организация севооборотов и системы обработки почв с целью повышения их плодородия;

- мелиоративные мероприятия (борьба с заболачиванием, засолением почв и др.);

- рекультивация нарушенного почвенного покрова;

- защита почв от загрязнения, а полезной флоры и фауны от уничтожения;

- предотвращение необоснованного изъятия земель из сельскохозяйственного оборота.

Защита почв должна осуществляться на основе комплексного подхода к сельскохозяйственным угодьям как сложным природным образованиям (экосистемам) с обязательным учетом региональных особенностей.

Для борьбы с эрозией почв необходим комплекс мер: землеустроительных (распределение угодий по степени их устойчивости к эрозионным процессам), агротехнических (почвозащитные севообороты, контурная система выращивания сельскохозяйственных культур, при которой задерживается сток, химические средства борьбы и т. д.), лесомелиоративных (полезащитные и водорегулирующие лесные полосы, лесные насаждения на оврагах, балках и т. д.), (каскадные пруды и т. д.), однозначащей с защитой государства».

Для борьбы с заболачиванием почвы в районах достаточного или избыточного увлажнения в результате нарушения природного водного режима применяют различные осушительные мелиорации. В зависимости от причин заболачивания - это может быть понижение уровня грунтовых вод с помощью закрытого дренажа, открытых каналов или водозаборных сооружений, строительство дамб, спрямление русла реки для защиты от затопления, перехват и сброс атмосферных склоновых вод и др. Однако чрезмерное осушение больших площадей может вызвать нежелательные изменения в экосистемах - переосушку почв, их дегумификацию и декальцинирование (приставка «де» означает устранение чего-либо), а также вызвать обмеление малых рек, усыхание лесов и т. д.

Для предупреждения вторичного засоления почв необходимо устраивать дренаж, регулировать подачу воды, применять полив дождеванием, использовать капельное и прикорневое орошение, выполнять работы по гидроизоляции оросительных каналов и т. д. I