Загрязнение окружающей среды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Загрязнение окружающей среды



1. Понятие о загрязняющих веществах, типы загрязняющих веществ

Любая деятельность любой системы, направленная на поддержание организованности внутри нее, вызывает снижение организованности вне системы. Системы существуют за счет экспорта энтропии вовне. Для неравновесной динамической системы, каковыми являются все биологические системы, существовать, не нарушая ничего в мире, невозможно. Это относится и к любому живому организму, и к надорганизменному образованию, и к человеческому обществу. Необходимо различать нарушения окружающей среды, производимые человеком как биологическим объектом, и нарушения окружающей среды, производимые человеком, как частью созданной им техносферы.

Загрязнение

«Загрязнение можно определить как поступление любого вещества или материала в неположенное место» (Петров, 1998, стр. 150)

Прежде чем говорить о загрязнении, следует определиться с тем, что мы будем понимать под этим словом. Интуитивно каждый понимает - что такое загрязнение, но когда речь заходит о том, чтобы дать четкое его определение, мы сталкиваемся с множеством формулировок. Несколько примеров:

«Любые изменения воздуха, вод, почв или пищевых продуктов, оказывающие нежелательное воздействие на здоровье, выживаемость или деятельность человека, называются загрязнением» (Миллер, 1993, 1, с. 37)	На первое место вынесено нежелательное воздействие на человека
«Загрязнением называют поступление в окружающую среду любых твердых, жидких и газообразных веществ, микроорганизмов или энергий (в виде звуков, шумов, излучений) в количествах, вредных для здоровья человека, животных, состояния растений и экосистем» (Коробкин, 2000, с. 279).	На первое место вынесен вред для человека и экосистем
«Загрязнение есть неблагоприятное изменение окружающей среды, которое целиком или частично является результатом человеческой деятельности, прямо или косвенно меняет распределение приходящей энергии, уровни радиации, физико-химические свойства окружающей среды и условия существования живых существ» (Рамад, 1981, с. 167).	Изменение, являющееся результатом человеческой деятельности
«Привнесение в какую-либо среду новых не характерных для нее в рассматриваемое время неблагоприятных физических, химических и биологических агентов или превышение естественного среднемноголетнего уровня этих агентов в среде называется загрязнением» (Сытник, 1987, стр. 389)	Неблагоприятность для среды

Наиболее приемлемым остается, все-таки, давно известное человечеству понимание того, что

«загрязнение - все то, что не в том месте, не в то время и не в том количестве, какое естественно для природы, что выводит ее системы из состояния равновесия, отличается от обычно наблюдаемой нормы и/или желательного для человека» (Реймерс, 1998, с. 130).

Создано множество классификаций загрязнений.

По объектам: загрязнение вод (поверхностных и подземных), загрязнение атмосферы, загрязнение почв, загрязнение космического пространства и т. п.

По масштабам: локальное, региональное, глобальное.

По природе действующих факторов: физическое, химическое, биологическое (см. рис. 16).

По характеру воздействия на объекты окружающей среды (см. табл. 14)

Большинство загрязнителей - химические вещества, возникающие в качестве побочных продуктов или отходов добычи, переработки и использовании ресурсов. Имея в виду то, что предметом нашего изучения является именно «Химия окружающей среды», мы в первую очередь и наиболее подробно остановимся на химических загрязнениях.

В настоящее время в повседневном использовании в мире применяется около 80 000 синтетических веществ. В ходе промышленного и сельскохозяйственного производства образуется порядка 100 000 веществ. Так или иначе, все эти вещества попадают в окружающую среду. Для того чтобы можно было охватить все многообразие загрязняющих химических агентов в среде, нам необходима классификация.

Таблица 1 Классификация загрязнения среды по характеру воздействия (Коробкин, 2000)

ЗАГРЯЗНЕНИЕ СРЕДЫ
ИНГРЕДИЕНТНОЕ (совокупность веществ, чуждых естественным биогеоценозам)	ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ (изменения качественных параметров окружающей среды)	БИОЦЕНОТИЧЕСКОЕ (нарушение в составе и структуре популяций и сообществ)	СТАЦИАЛЬНО-ДЕСТРУКЦИОННОЕ (преобразования ландшафтов)
Минеральное	Органическое	Электромагнитное	Комплексный фактор беспокойства	Вырубка лесных насаждений
Продукты сгорания ископаемого топлива	Продукты сгорания в ДВС	Бытовые стоки и мусор	Тепловое	Нарушение баланса популяции	Зарегулирование водотоков
Отходы химических производств	Ядохимикаты и удобрения	Микробиологические препараты	Шумовое	Интродукция и акклиматизация видов	Сбор, отлов, отстрел, браконьерство	Перепромысел	Карьерная разработка ископаемых
Шахтные отвалы и терриконы	Аварийные сбросы в акваториях	Отходы пищевой промышленности	Световое				Дорожное строительство
Отходы металлургии	Нефтедобыча и нефтепереработка	Отходы животноводческих ферм	Радиационное				Эрозия почв
Прочие	Прочие					Осушение земель
						Урбанизация
						Лесные и степные пожары

Рис. 1 Классификация загрязнений по природе действующего агента (Коробкин, 2000)

антропогенных загрязнение биологический

Загрязнители чрезвычайно разнообразны и, по самому определению, один источник загрязнения может давать большое число загрязнителей. Можно различать несколько разных типов загрязнителей, хотя это деление достаточно условно и многие загрязнители могут быть отнесены к нескольким типам. Можно классифицировать загрязняющие вещества по их поведению в окружающей среде.

Разложимые биологически вещества - те, которые подвергаются атаке микроорганизмов, ведущей к их деградации и полному удалению. Обычно это - отходы жизнедеятельности организмов и включают наиболее распространенные загрязнители: хозяйственно-бытовые стоки. Сюда же можно отнести стоки сельского хозяйства и пищевой промышленности. Поскольку эти вещества являются подходящим субстратом для микробной активности, биоразложимые вещества остаются в активном состоянии до тех пор, пока они не захораниваются достаточно глубоко в осадки или не разлагаются полностью.

Биологически неразложимые вещества не изменяются под действием микроорганизмов. Инертные загрязнители, такие как твердые частицы, тяжелые металлы, многие синтетические органические вещества сохраняются в окружающей среде в неизменной форме, несмотря на то, что они могут растворяться или транспортироваться.

Химически разложимые вещества, такие как, например, кислоты, уничтожаются в ходе химических реакций в окружающей среде.

Факторами, определяющими тяжесть воздействия загрязняющих веществ, являются:

их биологическая активность (сила токсического или другого воздействия на биоту);

концентрация;

время жизни в среде или устойчивость.

Природные и антропогенные загрязнения

Одна из причин, по которым мы отвергли определение загрязнения как «связанного с человеческой деятельностью» - то, что загрязнители попадают в окружающую среду не только в результате деятельности человека, но и «естественным путем». Отходы деятельности любой системы являются загрязнителями для остальных. Но в процессе эволюции биосферы возникли механизмы утилизации этих загрязнений и теперь продукты жизнедеятельности одних подсистем биосферы служат источниками существования других. В биосфере не существует «ресурсов», используемых для «продукции» (в обыденном понимании этих слов), как и не существует отходов. Производство органического вещества и его разложение в биосфере сбалансированы с точностью порядка 10-7. Отходы жизнедеятельности животных (продукты выделения, фекальные массы, трупы животных) перерабатываются другими животными, минерализуются микроорганизмами и возвращаются в биотический круговорот. То же происходит с отмершими растениями. Углекислота, образуемая гетеротрофными организмами в процессе дыхания, повторно используется растениями для воссоздания органического вещества с помощью солнечной энергии. Кислород, побочный продукт, образуемый растениями в ходе фотосинтеза, изначально был ядовит для живых организмов, но жизнь выработала механизм его обезвреживания. Этот механизм оказался очень эффективным способом трансформации энергии и теперь распространен почти повсеместно в биосфере. Нам он известен как дыхание.

Природное загрязнение окружающей среды включает в себя и катастрофы. Наиболее яркими примерами здесь могут служить извержения вулканов. При этом необходимо помнить, что вулканическая активность обеспечивает и возврат в круговорот биосферы химических элементов из мантии Земли. Можно упомянуть и космические катастрофы, например, гипотетический гигантский метеорит с которым связывают массовое вымирание динозавров.

Очень многие вещества, рассматриваемые нами в данном курсе как загрязнители, поступают в окружающую среду, как в результате техногенной активности, так и из природных источников. Биогенные вещества (главным образом соединения азота и фосфора) - важнейшие компоненты бытовых и сельскохозяйственных сточных вод и естественные продукты метаболизма животных. Окислы серы и бенз(а)пирены попадают в атмосферу в ходе природных пожаров, многие металлы - благодаря вулканической активности, окись азота образуется при вспышках молний, нефть попадает в водоемы в районах естественных нефтепроявлений. Большое количество дисперсных веществ поступает в атмосферу естественным путем. Таковы продукты выветривания горных пород, частички почвы, морская соль.

Эруптивные газы вулканов (выделяющиеся при извержениях) содержат углекислый газ, сероводород, сернистый газ, соединения галогенов. Фумаральные газы (выделяемые в спокойном состоянии) - сернистый, углекислый, сероводород, метан. Естественные гейзеры и геотермальные источники поставляют в атмосферу окиси углерода и серы в количествах, сопоставимых с выбросами тепловых электростанций. Только один такой источник может поставлять в среду ежегодно 200 тыс. т хлора, 100-1000 т аммиака, фтора, серной кислоты, 1000-10000 т сероводорода (Сытник и др., 1987).

Антропогенное загрязнение отличается, пожалуй, в первую очередь, большей концентрацией загрязняющих веществ. Возникают необычные для биосферы сгущения обычно разреженных элементов, такие как свалки, отвалы, места захоронения отходов. Кроме того, современная цивилизация вынуждает биосферу к включению в биотические кругообороты экзотических веществ, таких как, например, алюминий, синтетические элементы, ксенобиотики. Большая часть загрязнителей рассеивается и разлагается, и их концентрация снижается до безопасного уровня.

Точечные и диффузные источники загрязнения

Точечные источники - четко локализованные. Неточечные - трудноопределимые. Загрязнители могут поступать в окружающую среду из точечных источников или диффузно.

Точечный источник - одиночное место, которое может быть идентифицировано как источник загрязнения. Примерами может служить сточная труба по отношению к водотоку или водоему, крупное предприятие, город и т.п. Мониторинг точечных источников загрязнения значительно легче осуществлять, чем диффузных.

Диффузные выбросы не имеют такой легко устанавливаемой привязки к определенному месту. Они поступают сразу на большой площади, как, например, в случае с кислотными дождями, выпадающими сразу на площади водосборного бассейна, биогенными элементами, образующимися из удобрений и просачивающимися из почвы на значительной длине реки. Примером диффузного загрязнения может служить и поступление загрязняющих веществ с выхлопами автомобильных двигателей.

Виды загрязняющих веществ

Мы определили загрязнение как то, что находится не там, не тогда и не в том количестве, в котором ему положено быть. Любое инородное вещество как вредное, так и нейтральное, не оказывающее вредного воздействия на окружающую среду, можно определить как примесь или чужеродное вещество, в англоязычной, а по ее примеру теперь и в отечественной литературе называемое контаминантом (contaminant, англ. - примесь, инородное вещество, постороннее вещество, грязь)

Если вещества вызывают деградацию окружающей среды, они называются загрязнителями. Теперь и в русскоязычных публикациях загрязнители достаточно часто называют поллютантами (pollutant, англ. - загрязняющий агент, загрязняющая примесь, загрязнение, токсичная составляющая).

Однако, техногенные отходы, попадающие в природную среду, далеко не обязательно являются загрязнителями. Они могут служить пищей или субстратом для развития организмов, выигрывающих от их присутствия. Такие вещества становятся загрязнителями только в том случае, если их концентрации настолько велики, что они вызывают стресс у организмов или экосистем. Даже в этом случае некоторые специфические организмы могут выигрывать от присутствия этих отбросов.

Загрязнители воздействуют на природу несколькими путями. Некоторые из них токсичны, оказывая прямое действие на метаболизм водных организмов. Такие вещества называются токсикантами, или ядовитыми веществами. Практически нет загрязнителей токсичных для всех видов организмов (разве что высококонцентрированные вещества). Гораздо более обычно непрямое действие - неблагоприятное для организмов изменение физических или химических свойств среды. Сильное загрязнение полностью уничтожает жизнь и, соответственно, экологические системы. Для большинства типов и концентраций токсикантов, тем не менее, такое экстремальное воздействие не характерно. В большинстве случаев токсиканты избирательно удаляют чувствительные виды, создавая более благоприятные условия для других видов за счет появления новых источников пищи, новых местообитаний, исчезновения конкурентов или хищников. Таким образом, загрязнения вызывают экологические сдвиги. Это часто наблюдается в областях воздействия постоянных источников загрязнения. Среда в таких случаях постоянно изменена. Временные воздействия, как правило, не вызывают таких последствий.

Специфическую группу загрязнителей составляют мутагены - генетически активные вещества, вызывающие мутации (изменения) наследственной информации подвергающихся их действию организмов. В потомстве этих организмов могут проявляться мутантные - генетически измененные особи. Мутагенное действие, как правило, сопряжено с канцерогенным для многоклеточных растений и животных. Канцерогены - вещества, стимулирующие рост злокачественных новообразований (раковых опухолей) у обработанных ими организмов. Иногда их называют онкогенами. Кроме того, ряд веществ способен нарушать нормальное развитие эмбрионов многоклеточных организмов, вызывая появление измененных дефектных особей. Их не следует путать с мутантными особями. Такие вещества называются тератогенами.

2. Норма и патология биосистем

Для того чтобы измерить величину токсического действия вещества, следует определиться - какое состояние организма или экосистемы мы считаем нормальным, а какое - патологическим, ненормальным. Определить границы, при которых переходятся физиологические пределы, и оказывается воздействие на организмы чрезвычайно трудно, поскольку нет четких критериев различия между нормой и патологией. Норма - это образец, эталон, правило, а патология - это болезнь. В медицине, например, существуют две линии понимания нормы:

статическая (гармония, сбалансированность, гомеостаз) и

функциональная (работоспособность, жизнеспособность, активность, продуктивность, оптимальность).

Количественно в биологической и медицинской статистике норма оценивается как среднее арифметическое по данному признаку для популяции плюс-минус две величины стандартного отклонения (у). Отклонение большее, чем на 2-3 у - нарушение, патология.

По Н. С. Строганову норма:

на молекулярном уровне - определенная последовательность и соотношение биохимических процессов, обеспечивающих функционирование органелл, клеток и органов в пределах, свойственных виду;

на клеточно-органном уровне - рост и дифференцировка, деление клеток, их функционирование, обеспечивающее функционирование органа, в который входят данные клетки;

на организменном уровне - рост и развитие, размножение, плодовитость и качество потомства, все то, что обеспечивает сохранность вида.

С точки зрения сохранения устойчивого состояния окружающей среды нас не могут не интересовать вопросы определения нормального и патологического состояния экосистем, функционирование которых и стабилизирует окружающую среду. На надорганизменном уровне Н. С. Строганов предлагал рассматривать норму с точки зрения оценки человеком. Л. П. Брагинский предлагал рассматривать норму с точки зрения демэкологии и синэкологии. Демэкологические критерии нормы - сохранение равновесия между рождаемостью и смертностью в популяции, между полами в соотношениях, присущих данному виду. Преобладание смертности и самцов - патология популяции. Для биоценоза нормой является сохранение устойчивой структуры биоценоза. Нарушение ее принимается за патологию. Для выражения понятий нормы и патологии экосистемы Л. П. Брагинским было введено понятие буферности. Буферность - мера устойчивости экосистемы, выражаемая как способность экосистемы переработать определенное количество токсиканта без проявлений интоксикации ее отдельных компонентов и сдвига равновесия в экосистеме. Нормальная экосистема - это система, сохраняющая свойство буферности, т.е., обладающая определенным потенциалом детоксикации. Основным критерием сдвига равновесия в экосистеме является устойчивое достоверное снижение соотношения первичной продукции и деструкции. Чем дальше от единицы это соотношение, тем больше нарушена экосистема. М. М. Камшилов рассматривал норму и патологию экосистем с позиций биотического круговорота, включающего в себя сеть выедания и сеть разложения. В норме хорошо развита первая, в патологии сеть разложения преобладает.

3. Токсикология

Токсикологией называется исследование неблагоприятного действия химических веществ на живые организмы путем изучения природы этого действия и оценки вероятности его возникновения (Matsui, 1991, p. 2). Описательная токсикология занимается, главным образом, биотестированием, т. е. определением воздействия тех или иных токсикантов на определенные организмы с тем, чтобы полученные оценки экстраполировать на людей или другие живые существа. Токсикология механизмов действия (mechanistic toxicology), как и следует из ее названия, исследует механизмы действия токсикантов на живые организмы и пытается установить связь между структурой вещества и механизмом его действия. Регуляторная токсикология способствует принятию решений о допустимости использования того или иного вещества в хозяйственных целях на основе его токсикологических характеристик. Токсикология окружающей среды (environmental toxicology) или экотоксикология оценивает воздействие веществ на экосистемы в целом, или на организм человека, через изменение характеристик окружающей среды.

Биотесты, биотестирование

Оценка токсического, мутагенного, тератогенного действия веществ в настоящее время выполняется с помощью биотестирования - лабораторного исследования воздействия вещества на живые организмы. Здесь, в связи с труднообозримым разнообразием веществ, поступающих в окружающую среду, биологическое действие каждого из которых по возможности следует исследовать, мы сталкиваемся с необходимостью оперативного тестирования веществ. С одной стороны, следует выбирать такие показатели, которые дают быстрый ответ на воздействие токсиканта, с другой - чтобы результаты биотестирования могли давать прогностическую информацию, т.е., чтобы полученные результаты отражали реальные процессы, происходящие в окружающей среде.

Чрезвычайно важен выбор тест-объектов. Индикаторные организмы чутко реагируют на действие токсиканта. Представительные - близкие к той группе, которую мы хотим защищать, или характерны именно для тех экосистем, в которые поступает тестируемое вещество.

В водной токсикологии широко применяются дафнии - своеобразные «белые мыши» гидробиологии. Они имеют короткий жизненный цикл, удобны при культивировании, дают возможность оценивать выживаемость, плодовитость, качество потомства, развитие и рост молоди, сроки созревания, кроме того - дафнии широко распространены в водоемах по всему земному шару. Надо отметить, что количество тест-объектов и тест-функций уже сейчас чрезвычайно велико и продолжает расти. Только немногие слабые стороны биотестирования приведены в таблице 15.

Как пишет С. Э. Йоргенсен (Jшrgensen, 1998) если учесть, что для предсказания поведения в окружающей среде каждого из генерируемых в техносфере 100 000 соединений мы должны знать, по крайней мере, 25 характеристик и, для прогноза его воздействия на биоту нужно изучить его взаимодействие пусть не с 5 000 000 видов, населяющих планету, а лишь с 25 000 «ключевых» видов, то мы получим количество необходимых исследований около 7,25·1010, что, естественно, совершенно нереально.

Надо отметить, что биотестирование давно критикуется и в практику экологического прогнозирования широко внедряется экотестирование (эксперименты с модельными экосистемами и моделями экосистем, см. Зилов, 1990, 1992) тем не менее, в практике охраны окружающей среды биотестирование прочно занимает ключевые позиции в вопросах установления токсического действия загрязнителей на организмы.

Таблица 3 Источники разброса результатов при биотестировании

Природа источника	Варьирующий показатель	Разброс значений
Возраст тест-организмов	Старые: молодые	0,01 - 1000
Пол тест-организмов	Самцы: самки	0,5 - 5
Генетические вариации	Более устойчивые: Менее устойчивые	1 - 100
Акклиматизация	Адаптированные: неадаптированные	1 - 10
Продолжительность опыта	Короткие: длинные	1 - 100

4. Токсичность

Всякое отклонение от физиологической нормы рассматривается как нарушение. Нарушение биологической нормы расценивается как проявление токсического действия, хозяйственной нормы - как результат токсического действия загрязнителей.

В определении критерия токсичности приняты два подхода:

медицинский, в основе которого лежит понятие физиологической нормы;

биологический, опирающийся на биологическую и хозяйственную нормы.

Самым простым и наглядным критерием токсичности является выживаемость - получение ответа «погиб-выжил».

Критериями токсического действия на водоросли могут служить изменение численности клеток, изменение последовательности прохождения стадий развития, способность клеток к размножению. Для зоопланктона предлагались такие критерии токсичности как выпадение отдельных видов из состава сообщества, нарушение партеногенетических циклов, изменение плодовитости, снижение биомассы. Для рыб предлагалось оценивать токсическое действие по плодовитости, качеству потомства. Можно измерять темпы роста, интенсивность газообмена, сердечный ритм, гематологические показатели, электропроводность тканей. Используют также поведенческие реакции, интенсивность фотосинтеза, плазмолиз, движение протоплазмы, свечение клеток в УФ-свете, люминесценцию светящихся бактерий и многие другие показатели.

Острые опыты продолжаются 1, 2, 4 сут., хронические - от 10 до 90 сут. Наиболее разумным представляется совмещение экспресс-методов и длительных опытов.

Прямая токсичность подразделяется на: острую токсичность, когда большая доза яда за короткий промежуток времени, вызывает быстрый летальный исход, и хроническую токсичность, когда низкая доза яда за длительный промежуток времени приводит к летальному или сублетальному эффекту. Кроме того, выделяют еще кумулятивную токсичность, при которой токсический эффект нарастает или усугубляется с накоплением действующего агента.

Токсическая концентрация вызывает нарушение физиологических функций организма, которое может закончиться либо выздоровлением, либо гибелью организма. Минимально действующая концентрация - та концентрация вещества, которая начинает оказывать отрицательное действие на организм и достоверно изменяет его биологические показатели. Минимально токсическая концентрация вызывает начальные, клинически достоверные признаки отравления. Максимально переносимая концентрация вызывает резко выраженные признаки отравления. Летальная концентрация приводит к гибели организма. При оценке токсического действия любого вещества на графике доза - эффект (концентрация - эффект, экспозиция - эффект) можно выделить три зоны: витальная, сублетальная, летальная.

Существует ряд измерений токсичности:

Полулетальное время (LT50) - время, за которое данная концентрация тестируемого вещества вызывает гибель половины подопытных организмов.

Полулетальная концентрация (CL50) или доза (LD50) - концентрация или доза тестируемого вещества вызывающая за данное время гибель половины подопытных организмов.

CL100acuta - острая летальная концентрация, вызывающая гибель всех подопытных организмов в остром опыте.

CL100chronica - хроническая летальная концентрация, вызывающая гибель всех подопытных организмов в хроническом опыте.

5. Определение ПДК

В настоящее время принято, что предельно допустимая концентрация (ПДК) - количество вредного вещества в окружающей среде, при постоянном контакте или при воздействии на организм человека в течение заданного промежутка времени не вызывает необратимых (патологических) изменений в нем и у его потомства.

Концепция ПДК базируется на двух предположениях:

эффект любого химического фактора пропорционален его интенсивности и выражается формулой «доза-время-эффект»;

биологическое действие любого химического фактора подчиняется принципу пороговости, ниже которого не обнаруживается реакция организма.

Соответственно, в основе нормирования лежит максимальная недействующая доза.

Для воздушной среды различают ПДК для атмосферного воздуха и для рабочей зоны. При этом существуют максимально разовая доза и среднесуточная. Первая устанавливается из условия отсутствия рефлекторных реакций в организме в течение 20 мин.

Разработаны ПДК для водных объектов хозяйственно-питьевого, культурно-бытового и рыбохозяйственного водопользования. При установлении ПДК для воды учитываются три признака вредности:

общесанитарный;

органолептический;

санитарно-токсикологический.

Лимитирующий признак вредности. ПДК химического соединения в водоеме устанавливается по тому признаку вредного действия, который характеризуется наименьшей концентрацией.

Эффект суммарного действия вредных веществ с одним и тем же лимитирующим признаком вредности суммируется.

,

где a, b, …, n - концентрации веществ, для которых установлены ПДК A, B, …, N .

Необходимо помнить, что разные типы загрязнений присутствуют совместно. Они взаимодействуют друг с другом. При этом их токсичность изменяется. Например, закисление или образование соединений с органическими веществами увеличивает токсичность ионов многих металлов. Поэтому при установлении ПДК следует учитывать разные виды взаимодействия веществ друг с другом: аддитивность - простое суммирование эффекта, антагонизм - взаимное ослабление действия веществ, синэргизм - взаимное усиление действия, превосходящее аддитивный эффект. Кроме того, следует помнить о возможности биоаккумуляции - накоплении поступающего с пищей или водой яда в организме, биоконцентрации - адсорбции токсического вещества кожными покровами или органами дыхания, биомагнификации - роста концентрации токсического вещества в пищевой цепи.

6. Химическое загрязнение гидросферы

Обзор рассмотрения химического загрязнения окружающей среды наиболее уместно начать с гидросферы. Дело в том, что практически все химические агенты загрязнения проявляют свою токсичность именно в водной фазе, кроме того, загрязнение и атмосферы, и геосферы немедленно сказывается на гидросфере.

В XXI веке вода стала лимитирующим фактором для существования человечества. В таблице 16 приведены данные о подушевом потреблении воды современного человека. Безвозвратное потребление воды человечеством составляет 9 км3 сут.-1 Доступные человечеству запасы пресной воды, сосредоточенные в озерах и водохранилищах составляют 125·103 км3. Отсюда легко подсчитать, что без постоянного возобновления этого источника только за счет безвозвратного водопотребления человечество способно использовать всю доступную наличную воду менее чем за 40 лет. А если учесть и «возвратное» водопотребление, при котором возвращаемая вода часто загрязнена настолько, что не может служить средой обитания водным организмам, то срок сократится до 10-12 лет. Отсюда понятна необходимость поддержания водных экосистем, естественных фабрик чистой воды, в рабочем состоянии, позволяющем им и далее выполнять свои средостабилизирующие функции. Уже сейчас больше двух дюжин стран испытывают серьезные проблемы, связанные с недостатком воды, а к 2010 г. их число превысит три десятка (табл. 17).



Таблица 4 Потребление воды на одного человека

Вид потребления	Объем, м3 сут-1
Бытовое в сельской местности	0,045
Бытовое в городах	0,460
Промышленное потребление	0,900
Производство электроэнергии	1,600
Сельскохозяйственное потребление	2,200
Итого:	5,200
В том числе: безвозвратное	1,500

Таблица 5 Страны, испытывающие нехватку водных ресурсов

Страна	Возобновляемые источники воды (м3 чел.-1)	Изменение, %
	1992	2010
Африка
Алжир	730	500	-32
Ботсвана	710	420	-41
Бурунди	620	360	-42
Кабо Верде	500	290	-42
Джибути	750	430	-43
Египет	30	20	-33
Кения	560	330	-41
Ливия	160	100	-38
Мавритания	190	110	-42
Руанда	820	440	-46
Тунис	540	330	-27
Ближний Восток
Бахрейн	0	0	0
Израиль	330	250	-24
Иордания	190	110	-42
Кувейт	0	0	0
Катар	40	30	-25
Саудовская Аравия	140	70	-50
Сирия	550	300	-45
Объединенные Арабские Эмираты	120	60	-50
Йемен	240	130	-46
Другие регионы
Барбадос	170	170	0
Бельгия	840	870	+4
Венгрия	580	570	-2
Мальта	80	80	0
Нидерланды	660	600	-9
Сингапур	210	190	-10
Присоединятся к 2010 г.
Малави	1,030	600	-42
Судан	1,130	710	-37
Марокко	1,150	830	-28
Южная Африка	1,200	760	-37
Оман	1,250	670	-46
Сомали	1,390	830	-40
Ливан	1,410	980	-30
Нигер	1,690	930	-45

Водные системы всегда были излюбленным местом для избавления от отбросов. Движение вод измельчает отбросы и относит их от места выброса, тогда как биологические процессы достаточно эффективно нейтрализуют их вредное воздействие. “The solution to pollution is dilution”, англ. - «Решение проблемы загрязнения - разведение». Так, для разведения физиологических отходов разных животных до приемлемого по современным нормам уровня требуется значительное количество воды (табл. 18).

Таблица 6 Количество воды, необходимой для разведения биологических отходов

Организм	м3 сут.-1
Корова	50
Свинья	14
Овца	10
Курица	1
Человек	6

С ростом населения и распространением индустриализации с простым выбросом отходов в водную среду возникло две проблемы: во-первых, концентрации традиционных отходов возросли настолько, что природные процессы перестали справляться с ними; во-вторых, появились новые типы загрязнителей, с которыми организмы никогда не сталкивались в процессе их эволюционной истории. Последствия этого сказались очень быстро:

«В начале XIX в. Темза была еще чистой рекой, и, по свидетельству очевидцев, в ее водах можно было без труда поймать лосося. К середине того же века Темза превратилась в сточный желоб под открытым небом…

До конца XVIII в. парижане брали питьевую воду прямо из Сены…

В наши дни в Сену поступает более 1,4·106 м3 городских и промышленных сточных вод при среднем расходе реки 4·106 м3 сут-1» (Рамад, 1981, стр. 309).

Значительную долю загрязнения вод составляет обычный бытовой мусор. Подсчитано, что ежедневно на каждого человека - участника водных перевозок (пассажир или член команды) в среднем выбрасывается за борт от 1,1 до 2,6 кг мусора. Это дает 6,5 млн. т год-1. Значительная часть этого мусора с точки зрения экосистем практически вечна (см. табл. 19) и, скапливаясь вдоль берегов, в заводях, устьях рек, он серьезно нарушает нормальное функционирование гидробиоценозов.

Таблица 7 Время разложения компонентов бытового мусора в морской воде (Frid, 2002)

Компонент	Время	Компонент	Время
Бумажная салфетка	2-4 недели	Окрашенное дерево	13 лет
Газета	6 недель	Разовый стаканчик*	50 лет
Тетрапак	2 мес.	Жестяная банка	50 лет
Огрызок яблока	2 мес.	Поплавок от сети	80 лет
Картонная коробка	3 мес.	Алюминиевая банка	200 лет
Х/б перчатка	1-5 мес.	Одноразовая прокладка	450 лет
Х/б шнурок	3-4 мес.	Пластиковая бутылка*	450 лет
Пластиковая упаковка от банок с напитками*	6 мес.	Рыболовная леска*	500 лет
Биоразложимая прокладка	1 год	Стеклянная бутылка	Вечно
Шерстяная перчатка	1 год	* - пластик разложению не подвержен, но с течением времени измельчается

Наибольший вред окружающей водной среде наносит выпуск промышленных сточных вод, даже прошедших очистку. В таблице 20 приведены компоненты сточных вод для разных отраслей промышленности. Но начнем мы обзор загрязнения гидросферы с самого массового и неизбежного загрязнения - бытовых сточных вод.

Таблица 8 Загрязнение вод различными отраслями промышленности

Отрасль промышленности	Преобладающий вид загрязняющих компонентов
Нефтегазодобыча, нефтепереработка	Нефтепродукты, СПАВ, фенолы, аммонийные соли, сульфиды
Целлюлозно-бумажный комплекс, лесная промышленность	Сульфаты, органические вещества, лигнины, смолистые и жирные вещества, азот
Машиностроение, металлообработка, металлургия	Тяжелые металлы, взвешенные вещества, фториды, цианиды, аммонийный азот, нефтепродукты, фенолы, смолы
Химическая промышленность	Фенолы, нефтепродукты, СПАВ, ароматические углеводороды, неорганика
Горнодобывающая, угольная	Флотореагенты, неорганика, фенолы, взвешенные вещества
Легкая, текстильная, пищевая	СПАВ, нефтепродукты, органические красители, другие органические вещества

8. Загрязнение с бытовыми сточными водами

Старейшим видом загрязнения вод являются прямые отходы человеческой жизнедеятельности. В пересчете на сухое вещество каждый взрослый человек за год «производит» около 20 кг органического вещества, 5 кг азота и 1 кг фосфора. Первоначально эти отходы напрямую использовались в качестве удобрений, затем появились первые земляные уборные. Часть отходов при этом неизбежно попадала в источники питьевой воды. Именно поэтому большие города уже в древности стали строить водопроводы из достаточно удаленных от мест скопления людей источников.

С появлением ватерклозетов вторично возникла идея простого решения проблемы - разведения отходов и удаления их от места сброса. Объемы, а затем и состав подлежащих очистке сточных вод существенно изменились. Коммунально-бытовые стоки поступают в настоящее время не только из жилых зданий, но и из больниц, столовых, прачечных, небольших промышленных предприятий и т.п. Современные бытовые стоки, кроме собственно легкоокисляемых органических веществ и биогенных элементов содержат множество веществ, использующихся в повседневном обиходе: детергенты и СПАВ, химикалии, лекарственные препараты и т.д.

Поступающие в водотоки и водоемы легкоокисляемые органические вещества подвергаются там химическому и микробиологическому окислению. Для измерения содержания органических веществ в воде принято пользоваться величиной биохимического потребления кислорода за 5 сут. (БПК5, BOD5 - Biochemical Oxygen Demand). Ее определяют по разнице содержания в воде кислорода при отборе пробы и после пяти суток инкубации без доступа кислорода. БПК5, отражая содержание легкоокисляемой органики в воде, является универсальным показателем, используя который можно сопоставить степень загрязнения от разных источников. Так, в таблице 21 загрязнение от предприятий различного профиля выражено в эквивалентах загрязнения от людей.

Таблица 8 Загрязненность органикой промышленных сточных вод в эквивалентах бытовых стоков

Производство	Суточная продукция или переработка 1 т	Эквивалент стоков от человек
Деревообрабатывающий завод	Древесной стружки	50-80
Молокозавод	Молока	30-80
Бойня	1 голова крупного рогатого скота или 2,5 свиньи	70-200
Сырозавод	Молока	100-250
Крахмальный завод	Кукурузы или пшеницы	800-1000
Бумажный комбинат	Бумаги	100-300
Завод по производству искусственного волокна	Материала	500-700
Сахарный завод	Сахарной свеклы	120-400
Льномочильная фабрика	Льна	750-1150
Спиртовый завод	Пшеницы	1500-2000
Шерстомойня	Шерсти	2000-3000
Предприятие по отбеливанию тканей	Изделий	2000-3500
Фабрика-прачечная	Грязного белья	700-2300
Пивоваренный завод	Пива	300-2000
Целлюлозная фабрика	Целлюлозы	4000-6000
Кожевенный завод	Кожи	1000-4000

Последствия загрязнения бытовыми сточными водами

Легкоокисляемое органическое вещество, в избытке содержащееся в коммунально-бытовых стоках, становится питательной средой для развития множества микроорганизмов, в том числе и патогенных. В нормальной почве содержится большое количество микроорганизмов, способных вызывать тяжелые инфекционные заболевания. Обычно питьевая вода защищена от вторжения этих микроорганизмов тем, что содержание в ней доступной пищи для бактерий (легкоокисляемых органических веществ) невелико и практически все они используются нормальной водной микрофлорой. Однако со значительным ростом концентрации органики в воде почвенные патогенные микроорганизмы находят достаточно источников пищи для себя и могут стать источником вспышки инфекции. Кроме того, повышение количества органики в воде стимулирует рост и непатогенной микрофлоры, служащей, в свою очередь, пищей для более крупных возбудителей заболеваний - ряда амеб (как это было, например, с амебами, вызвавшими вспышку менингоэнцефалита с летальным исходом среди флоридских подростков), других паразитов, проводящих в воде значительную часть своего жизненного цикла. В условиях избытка питания могут развиться и почвенные грибки, продуцирующие канцерогенные вещества, например, афлотоксины. Кроме того, множество патогенных бактерий попадает в воду непосредственно с коммунально-бытовыми сточными водами. Найдя там условия благоприятные для размножения, они развиваются в массовых количествах. Водоемы замедленного водообмена (озера и водохранилища) при неконтролируемом бытовом загрязнении легко превращаются в очаги инфекций.

Кроме непосредственной опасности развития патогенных организмов в воде, загрязненной бытовыми стоками существует другое непрямое неприятное для человека последствие этого вида загрязнений. При разложении органического вещества (и химическом, и микробиологическом), как мы уже упоминали выше, потребляется кислород. В случае тяжелого загрязнения содержание растворенного в воде кислорода падает настолько, что это сопровождается не только заморами рыбы, но и невозможностью нормального функционирования микробиологических сообществ. Происходит деградация водной экосистемы. В проточных водах и в водоемах картина последствий загрязнения бытовыми стоками выглядят по-разному.

В проточных водах образуются четыре, следующие друг за другом по течению, зоны. В них совершенно четко выражены градиенты содержания кислорода (увеличение от места сброса вниз по течению), биогенных веществ и БПК5 (соответствующее снижение), видового состава биологических сообществ.

Первая зона - зона полной деградации, где происходит смешивание сточных и речных вод. Далее располагается зона активного разложения, в которой микроорганизмы разрушают большую часть попавших органических веществ. Затем следуют зоны восстановления качества воды и, наконец, чистой воды.

Еще в начале ХХ в. Р. Кольквитц и М. Марссон привели списки индикаторных организмов для каждой из этих зон, создав так называемую шкалу сапробности (от «сапрос», гр. - гнилой).

В первой зоне - полисапробной содержится значительное количество нестойких органических веществ и продуктов их анаэробного распада, много белковых веществ. Фотосинтез отсутствует, и кислород поступает в воду только из атмосферы, полностью расходуясь на окисление. Анаэробные бактерии вырабатывают метан, Desulfovibrio desulphuricans восстанавливает сульфаты до сероводорода, что способствует образованию черного сернистого железа. Благодаря этому ил черный, с запахом сероводорода. Очень много сапрофитной микрофлоры, нитчатых бактерий, серных бактерий, простейших - инфузорий, бесцветных жгутиковых, олигохет - тубифицид.

В следующей за ней б-мезосапробной зоне идет аэробный распад органических веществ. Аммонийные бактерии метаболизируют азотные соединения с образованием аммиака. Высокое содержание углекислоты, кислорода все еще мало, но сероводорода и метана уже нет, БПК5 составляет десятки мг л-1. Сапрофитные бактерии исчисляются десятками и сотнями тысяч в 1 мл. Железо присутствует в окисной и закисной формах. Протекают окислительно-восстановительные процессы. Ил серого цвета. Преобладают организмы, приспособившиеся к недостатку кислорода и высокому содержанию углекислоты. Много растительных организмов с миксотрофным питанием. В массе развиваются нитчатые бактерии, грибы, осциллятории, хламидомонады, эвглены. Встречаются сидячие инфузории, коловратки, много жгутиковых. Много тубифицид и личинок хирономид.

В в-мезосапробной зоне практически нет нестойких органических веществ, они почти полностью минерализовались. Сапрофитов - тысячи клеток в мл. Содержание кислорода и углекислоты колеблется в зависимости от времени суток. Ил желтый, идут окислительные процессы, много детрита. Много организмов с автотрофным питанием, наблюдается цветение воды. Встречаются диатомеи, зеленые, много протококковых водорослей. Появляется роголистник. Много корненожек, солнечников, инфузорий, червей, моллюсков, личинок хирономид. Встречаются ракообразные и рыбы.

Олигосапробная зона соответствует зоне чистой воды. Цветения не бывает, содержание кислорода и углекислоты постоянно. На дне мало детрита, автотрофных организмов и червей, моллюсков, хирономид. Много личинок поденок, веснянок, можно встретить стерлядь, гольяна, форель.

В водоемах замедленного водообмена картина зависит от размеров водоема и режима сброса сточных вод. В больших водоемах (морях, крупных озерах) вокруг постоянно действующего источника образуются, концентрически расположенные, поли-, мезо и олигосапробная зоны. Такая картина может сохраняться неопределенно долгое время, если самоочистительный потенциал водоема позволяет ему справляться с поступающей нагрузкой. Если водоем небольшой, то он трансформируется, по мере поступления загрязнений из олигосапробного в полисапробное состояние, а со снятием нагрузки может вернуться в олигосапробное состояние.

9. Эвтрофирование

«И поднял жезл и ударил по воде речной пред глазами фараона и пред глазами рабов его, и вся вода в реке превратилась в кровь, и рыба в реке вымерла, и река воссмердела, и Египтяне не могли пить воды из реки…» (Исх., 7, 20, 21)

Еще одно важное последствие бытового загрязнения вытекает из того, что коммунальные сточные воды, кроме большого количества органических веществ, несут и много биогенных элементов. Результатом этого становится антропогенное эвтрофирование водоемов и водотоков. Прежде чем перейти к антропогенному эвтрофированию, надо определиться - что такое эвтрофирование как таковое. Итак, определения эвтрофирования:

«Возрастание концентрации питательных веществ в водоеме, обычно связанное с антропогенным загрязнением» (Frid, 2002).

«Состояние водных экосистем, когда высокие концентрации питательных веществ стимулируют цветение водорослей» (US EPA, 2004).

«Обогащение воды питательными веществами» (Kalff, 2002).

«Процесс обогащения водных экосистем солями и питательными веществами, особенно азотом, фосфором и органическим веществом» (Smith, 2000).

«Естественный процесс, происходящий во всех озерах по мере того, как выветривание пород и почв бассейна ведет к накоплению питательных веществ в воде и донных отложениях» (Docker, 1999).

«Процесс обогащения водоема благодаря поступлению биогенов» (Horne, Goldman, 1994).

«Повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления в воде биогенных элементов под действием антропогенных или естественных (природных) факторов» (ГОСТ 17.1.01-77).

Видно, что практически все авторы связывают эвтрофирование с обогащением водоемов питательными веществами. Ряд авторов разделяет эвтрофирование - естественный процесс старения экосистем водоемов и эвтрофикацию, антропогенную или экспериментальную. Было даже предложено этот процесс именовать дистрификацией. В отечественной литературе, в отличие от англоязычной, где термин один (eutrophication) существуют варианты термина: эвтрофирование, эвтрофикация, эвтрофизация, эвтрификация, эвтрофия, евтрофирование, евтрификация, евтрофия.

10. Трофический статус водного объекта

Еще в 1915 г. Тинеманн предложил различать по трофности (от «трофе», гр. - питание) эвтрофные («хорошо питающиеся», «тучные») и олиготрофные («недостаточно питающиеся», «тощие») водоемы. Первоначально классификация основывалась на соотношении объемов эпилимниона (верхнего, трофогенного - «питающего» слоя озера) и гиполимниона (нижнего, трофолитического - «питающегося» слоя). Классификация оказалась очень удачной, естественной и применяется, в несколько модифицированном виде (добавлены гиперэвтрофные, мезотрофные, ультраолиготрофные, дистрофные водные объекты), по настоящее время.

Отличительным признаком олиготрофных водоемов является высокая прозрачность воды благодаря низкой численности планктонных водорослей, обусловленной низким содержанием биогенов. Содержание кислорода в воде в течение всего года близко к насыщению. Из-за малости биомассы первичных продуцентов биомассы на высших трофических уровнях также невысоки. Дно водоемов песчаное или каменистое. Как правило, относительно глубокие и узкие озера. При малости биомасс компонентов, отличаются высоким разнообразием состава. Фауна и флора представлены видами, характерными для олигосапробных водоемов.

Эвтрофные водоемы. Простейшим индикатором эвтрофности является низкая прозрачность воды, вызванная массовым развитием планктонных водорослей. Желто-зеленый цвет типичен для эвтрофных вод. Высокое содержание биогенов и варьирующее содержание кислорода. Концентрация кислорода в гиполимнионе значительно снижается как во время летней стратификации, так и подо льдом зимой. Во всех эвтрофных озерах вода в эвфотическом слое перенасыщена кислородом в дневное время суток благодаря фотосинтезу, а в ночное время уровень содержания кислорода падает из-за дыхания. Донные осадки эвтрофных озер чрезвычайно богаты биогенами, благодаря накоплению органического вещества, поступающего из фотической зоны. Поначалу, это ведет к росту биомассы укорененных макрофитов. Затем рост фитопланктона затеняет погруженные растения. Плотные заросли полупогруженных макрофитов от этого не страдают и часто присутствуют вдоль берегов эвтрофных озер. По видовому составу эвтрофные водоемы близки к мезосапробным. Важной чертой эвтрофных озер является значительный урожай на корню, на всех уровнях пищевой цепи, включая рыб. Эвтрофные озера, как правило, очень рыбопродуктивны. Из-за пониженного содержания кислорода и расположения в теплых низинах в эвтрофных озерах редко встречается форель. Летние и зимние заморы рыбы типичны для эвтрофных вод.

Эвтрофирование и сукцессия

Одна из концепций сукцессии озерных экосистем предполагает, что озера проходят последовательно разные трофности, начиная с олиготрофности. Последней стадией является эвтрофия, затем озеро замещается болотом и, наконец, сушей. Эта концепция получила название старения озер. Теории сукцессии озер основывались на ярких примерах сукцессии маленьких горных водоемов и под влиянием развития идей сукцессии для наземных биоценозов. Тем не менее, сукцессия и климакс обоснованы теоретически для озер не так хорошо, как для экосистем суши. Фактически, рассмотрение озер мира приводит к выводу, что идея изменения от олиготрофности к эвтрофности через мезотрофность является только одним возможным путем развития озера.

В действительности, два главных фактора контролируют эвтрофирование озера:

средняя глубина озера;

размеры и плодородие его бассейна.

Скорость, с которой озеро движется к эвтрофности, определяется колебаниями местных климатических условий, особенно температурой и осадками. Существуют палеолимнологические свидетельства того, что озеро может становиться эвтрофным и возвращаться к олиготрофии. Этот цикл может повторяться несколько раз (Horne, Goldman, 1994).

Теперь мы можем определить эвтрофирование как нарушение баланса питательных веществ водной экосистемы, ведущее к изменению ее трофического статуса.

Лимитирующие факторы

Для протоплазмы нормальным соотношением весов главных структурных химических элементов является 1P:7N:40C, т.е., на два грамма фосфора приходится 14 граммов азота и 80 граммов углерода на один килограмм живого веса (сырой биомассы) организмов.

Учитывая, что источником углерода для водорослей является повсеместно имеющаяся углекислота, можно заключить, что ограничивать (лимитировать) интенсивность новообразования органического вещества (первичной продукции) могут азот и фосфор. Если в системе присутствует только 1 г фосфора и 7 г азота, масса органического вещества не может превысить 500 г. Тот же результат будет, если фосфора будет 10 г, а азота 7 г, или азота - 50 г, а фосфора - 1 г. Таким образом, лимитирующим фактором выступает тот элемент, пропорция которого в среде меньше, чем стехиометрическим соотношением для протоплазмы.

Если в водоеме соотношение числа атомов растворенных форм азота к числу атомов растворенного фосфора меньше 16:1 (7:1 по весовой концентрации), то мы наблюдаем лимитирование по азоту. Привнесение минеральных или органических соединений азота в такой водоем должно вызвать развитие водорослей. Если соотношение азота и фосфора больше 16:1 (7:1, соответственно), то водоем лимитирован по фосфору и вспышку развития водных растений вызовет добавка фосфора.

Агенты эвтрофирования

Главными агентами эвтрофирования могут выступать соединения азота и фосфора, главным образом, в виде нитратов и фосфатов.

В конце 1960-х было широко распространено убеждение о загрязнении рек, озер и подземных вод нитратами из бытовых сточных вод, сточных вод животноводческих комплексов и, особенно, возделываемых полей. Наибольшие опасения вызывал тот факт, что высокое содержание нитратов в воде может вызвать заболевания. Например, метгемоглобинемию, или синдром «blue-baby» - у детей младше 6 мес. Заболевание это чрезвычайно редкое, но между 1945 и 1960 в мире было зарегистрировано 2000 его случаев. В США погиб 41 младенец, в Европе - 80 (Allaby, 2000). Нитраты подозревались и в том, что они могут реагировать с аминами и амидами с образованием канцерогенов: нитрозаминов и нитрозамидов. Экспериментальные исследования сняли эти подозрения (Allaby, 2000). Главной угрозой, которую представляют нитраты для окружающей среды, является эвтрофирование водоемов.

Источники поступления агентов эвтрофирования:

Естественное вымывание питательных веществ из почвы и выветривание пород.

Сбросы частично очищенных или неочищенных бытовых сточных вод, содержащих органические соединения азота и фосфора, нитраты и фосфаты.

Смыв неорганических удобрений, содержащих нитраты и фосфаты.

Смыв с ферм навоза, содержащего органические соединения азота и фосфора, нитраты, фосфаты, и аммиак.

Смывы с нарушенных территорий (шахты, отвалы, стройки, неправильное использование земель).

Сбросы детергентов, содержащих фосфаты.

Поступление нитратов из атмосферы.