II. Возникновение жизни на Земле

УМК Кануков
Лекции по химии окружающей среды
Введение. Предмет изучения и основы
I.
химии окружающей
среды.
1.
Определение, предмет и методы химии окружающей среды.
2.
Возникновение жизни на Земле.
3.
Биогеохимические циклы элементов и веществ (на примере основных биогенных элементов: углерод, азот, фосфор) и их количественные характеристики.
4.
Антропогенное воздействие на окружающую среду (типы и объекты воздействия; физическое и химическое загрязнение).
I. Определение, предмет и методы химии окружающей среды.
Химия окружающей среды — раздел химии, изучающий химические
превращения, происходящие в окружающей природной среде.
Химия окружающей среды включает в себя более узкие разделы химии, такие, как геохимия, химия почв, гидрохимия, химия атмосферы, химия
природных соединений органического происхождения и др. Химия окружающей среды изучает химические процессы во всех оболочках Земли, в том
числе в биосфере, изучает миграции и превращения всех химических соединений, в том числе природных и антропогенных загрязнителей.
В последнее время, в связи со значительно возросшим масштабом
воздействия человека на окружающую среду, со значительно возросшим количеством загрязняющих веществ антропогенного происхождения, в химии
окружающей среды выделяют экологическую химию, изучающую те химические процессы в земных оболочках, которые происходят под влиянием человеческой деятельности. Эти понятия настолько близки, что в некоторых
1
случаях исследователи рассматривают термины «экологическая химия» и
«химия окружающей среды», как синонимы.
Химия окружающей среды изучает химические процессы в комплексе
источники поступления и миграцию химических веществ в земных оболочках, их трансформацию, стоки из земных оболочек («глобальные циклы»),
взаимодействие соединений и элементов между собой; служит основой для
разработки и совершенствования методов защиты окружающей среды от загрязнений и т. п. Этот раздел химии тесно связан со многими другими
науками, в том числе с экологией, геологией и др.
Структура химии окружающей среды:
- Физико-химические процессы в литосфере, геохимия
- Физико-химические процессы в гидросфере
- Физико-химические процессы в атмосфере
- Химия загрязняющих веществ природного и антропогенного происхождения (их поступление, трансформация, миграция, вывод из геосфер)
Для химии окружающей среды характерны все основные методы современной химии (химические, физикохимические методы анализа), но
частая необходимость определять загрязняющие вещества в микроконцентрациях заставляет широко использовать новейшие комбинированные методы — высокоэффективное разделение (например, жидкостная хроматография) и точное качественное и количественное определение (например, массспектрометрия).
Существующие на сегодня программы, курсы лекций и учебники химии окружающей среды представляют собой довольно пестрое зрелище. В
одних химия окружающей среды рассматривается как химия природных
сред, и курс сводится к природной химии атмосферы, гидрохимии, химии
почв, т. е., к части классической геохимии. Другие авторы рассматривают
химию окружающей среды как часть биогеохимии и рассматривают природные биогеохимические циклы и воздействие на них техносферы.
2
Часто в курс химии окружающей среды включаются вопросы промышленной и инженерной экологии, проблемы, связанные с очисткой сточных вод или атмосферных выбросов. Иногда пособия превращаются в справочники по содержанию вредных веществ в окружающей среде.
II. Возникновение жизни на Земле
Проблема происхождения жизни не только привлекает к себе пристальное внимание ученых разных стран и специальностей, но интересует
вообще всех людей мира. Сейчас считается общепризнанным, что возникновение жизни на Земле представляло собой закономерный процесс, вполне
поддающийся научному исследованию. В основе этого процесса лежала эволюция соединений углерода которая происходила во Вселенной задолго до
возникновения нашей Солнечной системы и лишь продолжалась во время
образования нашей планеты– при формировании ее коры, гидросферы и атмосферы.
С момента возникновения жизни природа находится в непрерывном
развитии. Процесс эволюции длится уже сотни миллионов лет, и его результатом является то разнообразие форм живого, которое во многом до конца
еще не описано и не классифицировано.
Ученые сегодня не в состоянии воспроизвести процесс возникновения
жизни с такой же точностью, как это было несколько миллиардов лет назад.
Даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь модельным экспериментом, лишенным ряда факторов, сопровождавших появление живого на
Земле. Трудность — в невозможности проведения прямого эксперимента по
возникновению жизни (уникальность этого процесса препятствует использование основного научного метода).
Для понимания закономерностей эволюции органического мира на
Земле необходимо иметь общее представления об эволюции и основных
свойствах живого. Для этого необходимо охарактеризовать живые существа с
3
точки зрения их некоторых особенностей и выделить основные уровни организации жизни.
Что такое живое и чем оно отличается от неживого. Наиболее точное
определение жизни дал около 100 лет назад Ф. Энгельс: «Жизнь есть способ
существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей
этих тел». Термин «белок» тогда ещё не был определён вполне точно и его
относили обычно к протоплазме в целом.
Также живые тела отличаются от неживых наличием обмена веществ,
способностью к росту и развитию, активной регуляцией своего состава и
функций, способностью к движению, раздражимостью, приспособленностью
к среде и т. д. Неотъемлемым свойством живого является деятельность, активность. «Все живые существа должны или действовать, или погибнуть.
Мышь должна находиться в постоянном движении, птица летать, рыба плавать и даже растение должно расти».
Жизнь возможна лишь при определённых физических и химических
условиях (температура, присутствие воды, ряда солей и т. д.). Однако прекращение жизненных процессов, например при высушивании семян или глубоком замораживании мелких организмов, не ведёт к потере жизнеспособности. Если сохраняется неповрежденной структура, она при возвращении к
нормальным условиям обеспечивает восстановление жизненных процессов.
Однако строго научное разграничение живого и неживого встречает
определенные трудности. Так, например, вирусы вне клеток другого организма не обладают ни одним из атрибутов живого. У них есть наследственный аппарат, но отсутствуют основные необходимые для обмена веществ
ферменты, и поэтому они могут расти и размножаться, лишь проникая в
клетки организма-хозяина и используя его ферментные системы. В зависи-
4
мости от того, какой признак мы считаем важным, мы относим вирусы к живым системам или нет.
Научные концепции происхождения жизни в процессе развития человечества были различными:
1) Идея самопроизвольного происхождения.
Вначале в науке вообще не существовало проблемы возникновения
жизни, потому что учеными античного мира допускалась возможность постоянного зарождения живого из неживого. Великий Аристотель (4-ый в. до
Р. Х.) не сомневался в самозарождении лягушек. Философ Плотин в 3-ем веке до новой эры утверждал, что живые существа самозарождаются в земле в
процессе гниения. Эта идея самопроизвольного зарождения организмов, видимо, представлялась многим поколениям наших далеких предков очень
убедительной, так как просуществовала, не меняясь, долгие века, вплоть до
17-го века .
2) Идея происхождения жизни по принципу «живое – от живого».
В 17-ом веке опыты тосканского врача Франческо Реди показали, что
без мух черви в гниющем мясе не обнаружатся, а если прокипятить органические растворы, то микроорганизмы в них вообще зарождаться не смогут. И
только в 60-х гг. 19-го века французский ученый Луи Пастер в своих опытах
продемонстрировал, что микроорганизмы появляются в органических растворах только потому, что туда раньше был занесен зародыш.
Таким образом, опыты Пастера имели двоякое значение:
- Доказали несостоятельность концепции самопроизвольного зарождения жизни.
5
- Обосновали идею о том, что все современное живое происходит только от живого.
3) Идея космического происхождения жизни.
Примерно в тот же период, когда Пастер продемонстрировал свои опыты, немецкий ученый Г. Рихтер разработал теорию занесения живых существ
на Землю из космоса. Он утверждал, что зародыши могли попасть на Землю
вместе с космической пылью и метеоритами и положить начало эволюции
живого, которая породила все многообразие земной жизни. Но она не получила научного доказательства, так как примитивные организмы или зародыши должны были бы погибнуть под действием ультрафиолетовых лучей и
космического излучения.
4) Гипотеза А. И. Опарина.
В 1924 году вышла в свет книга «Происхождение жизни» советского
ученого А. И. Опарина, где он экспериментально доказал, что органические
вещества могут образовываться абиогенным путем при действии электрических зарядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси,
содержащие пары воды, аммиака, метана.
Гипотеза Опарина способствовала конкретному изучению происхождения простейших форм жизни. Она положила начало физико-химическому
моделированию процессов образования молекул аминокислот, нуклеиновых
оснований, углеводородов в условиях предполагаемой первичной атмосферы
Земли.
5) Современные концепции происхождения жизни.
Сегодня проблема происхождения жизни исследуется широким фронтом различных наук. В зависимости от того, какое наиболее фундаментальное свойство живого исследуется и преобладает в данном изучении (веще6
ство, информация, энергия), все современные концепции происхождения
жизни можно разделить условно на:
Концепцию субстратного происхождения жизни (ее придерживаются
биохимики во главе с А. И. Опариным).
Концепцию энергетического происхождения. Она разрабатывается ведущими учеными-синергетиками И. Пригожиным, М. Эйгеном.
Концепцию информационного происхождения. Ее развивали А. Н.
Колмогоров, А. А. Ляпунов, Д. С. Чернавский.
6) Концепция генного происхождения.
Автором этой концепции является американский генетик Г. Меллер.
Он допускает, что живая молекула, способная размножаться, могла возникнуть вдруг, случайно в результате взаимодействия простейших веществ. Он
считает, что элементарная единица наследственности – ген – является и основой жизни. И жизнь в форме гена, по его мнению, возникла путем случайного сочетания атомных группировок и молекул, существовавших в водах
первичного океана. Но математические расчеты этой концепции показывают
полную невероятность такого события.
Современные биологи доказывают, что универсальной формулы жизни
(т. е. такой, которая бы полностью отображала бы ее сущность) нет и быть не
может. Такое понимание предполагает исторический подход к биологическому познанию как постижению сущности жизни, в ходе чего менялись и
сами концепции происхождения жизни и представления о тех формах, в которых такое познание возможно.
7) Биоэнергоинформационный обмен как основа возникновения жизни.
7
Данный термин был введен доктором технических наук, профессором
МГТУ им. Н. Э. Баумана В. Н. Волченко в 1989 году, когда им его единомышленниками была проведена первая Всесоюзная конференция по биоэнергоинформатике в Москве .
Одним из элементов этой концепции выступает наличие во Вселенной
общего замысла, плана. Эта гипотеза подтверждается современной астрофизикой, согласно которой фундаментальные свойства Вселенной, значения основных физических констант и даже формы физических закономерностей
тесно связаны со структурой Вселенной во всех ее масштабах и с возможностью Жизни.
Современная концепция возникновения жизни на Земле является результатом широкого синтеза естественных наук, многих теорий и гипотез,
выдвинутых исследователями разных специальностей .
Для возникновения жизни на Земле важна первичная атмосфера (планеты). Первичная атмосфера Земли содержала метан, аммиак, водяной пар и
водород. Именно воздействуя на смесь этих газов электрическими зарядами
и ультрафиолетовым излучением, ученым удалось получить сложные органические вещества, входящие в состав живых белков. Элементарными «кирпичиками» живого являются такие химические элементы как углерод, кислород, азот и водород. В живой клетке по весу содержится 70 процентов кислорода, 17 процентов углерода, 10 процентов водорода, 3 процента азота, затем
идут фосфор, калий, хлор, сера, кальций, натрий, магний, железо. По мнению
ученых, содержащие азот и углерод вещества возникли в расплавленных глубинах Земли и выносились на поверхность при вулканической деятельности.
Второй шаг в возникновении соединений связан с возникновением в первичном океане Земли упорядоченных сложных веществ – биополимеров: нуклеиновых кислот, белков.
8
Если предположить, что в этот период все органические соединения
находились в первичном океане Земли, то более сложных органические соединения могли образоваться на поверхности океана в виде тонкой пленки и
на прогреваемом солнцем мелководье. Бескислородная среда облегчала синтез полимеров из неорганических соединений. Кислород как сильнейший
окислитель разрушал бы возникающие молекулы. Сравнительно несложные
органические соединения начали объединяться в крупные биологические молекулы. Образовались ферменты – белковые вещества-катализаторы, которые способствуют возникновению или распаду молекул. В результате активности ферментов возникли важнейшие «первоэлементы жизни» — нуклеиновые кислоты, сложные полимерные вещества (состоящие из мономеров).
Мономеры в нуклеиновых клетках расположены таким образом, что несут
определенную информацию, код, заключающийся в том, что каждой аминокислоте, входящей в белок, соответствует определенный набор из трех нуклеотидов, так называемый триплет нуклеиновой кислоты. На основе нуклеиновых кислот уже могут строиться белки и происходить обмен с внешней
средой веществом и энергией. Симбиоз нуклеиновых кислот образовал «молекулярно-генетические системы управления» .
Эта стадия, по-видимому, была отправной, переломной в возникновении жизни на Земле. Молекулы нуклеиновых кислот приобрели свойства самовоспроизведения себе подобных, стали управлять процессом образования
белковых веществ. У истоков всего живого стояли ревертаза и матричный
синтез с ДНК на РНК, эволюция РНК-овой молекулярной системы в ДНКовую. Так возник «геном биосферы».
Жара и холод, молнии, ультрафиолетовая реакция, атмосферные электрические заряды, порывы ветра и водяные струи – все это обеспечивало
начало или затухание биохимических реакций, характер их протекания, генные «всплески». К концу биохимической стадии появились такие структур-
9
ные образования, как мембраны, отграничивающие смесь органических веществ от внешней среды.
Мембраны сыграли главную роль в построении всех живых клеток. Тела всех растений и животных состоят из основных единиц жизни – клеток.
Живое содержание клетки – протоплазма. Современные ученые пришли к
выводу, что первые организмы на Земле были одноклеточными прокариотами – организмами, лишенными ядра («карио» — в переводе с греческого
«ядро»). По своему строению они напоминают ныне бактерии или синезеленые водоросли.
Таким образом, изучение процессов эволюции важно для охраны
окружающей среды. Человек, вторгаясь в природу, еще не научился предвидеть и предупреждать нежелательные последствия своего вмешательства.
Человек использует для борьбы с вредителями гексахлоран, ртутные препараты и многие другие ядовитые вещества. Это немедленно ведет к эволюционному «ответу» природы – возникновению устойчивых к пестицидам рас
насекомых, «суперкрыс», устойчивых к антикоагулянтам и т. п.
III. Биогеохимические циклы элементов и веществ (на примере основных биогенных элементов: углерод, азот, фосфор) и их количественные характеристики.
В отличие от энергии, которая однажды использованная организмом,
превращается в тепло и теряется для экосистемы, вещества циркулируют в
биосфере, что и называется биогеохимическими круговоротами. Из 90 с
лишним элементов, встречающихся в природе, около 40 нужны живым организмам. Наиболее важные для них и требующиеся в больших количествах:
углерод, водород, кислород, азот. Кислород поступает в атмосферу в результате фотосинтеза и расходуется организмами при дыхании. Азот извлекается
из атмосферы благодаря деятельности азотофиксирующих бактерий и возвращается в неё другими бактериями.
10
Круговороты элементов и веществ осуществляются за счёт саморегулирующих процессов, в которых участвуют все составные части экосистем.
Эти процессы являются безотходными. В природе нет ничего бесполезного
или вредного, даже от вулканических извержений есть польза, так как с вулканическими газами в воздух поступают нужные элементы, например, азот.
Существует закон глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере, действующий на всех этапах её развития, как и правило
увеличения замкнутости биогеохимического круговорота в ходе сукцессии. В
процессе эволюции биосферы увеличивается роль биологического компонента в замыкании биогеохимического круговорота. Ещё большую роль на биогеохимический круговорот оказывает человек. Но его роль осуществляется в
противоположном направлении. Человек нарушает сложившиеся круговороты веществ, и в этом проявляется его геологическая сила, разрушительная по
отношению к биосфере на сегодняшний день.
Когда 2 млрд. лет тому назад на Земле появилась жизнь, атмосфера состояла из вулканических газов. В ней было много углекислого газа и мало
кислорода (если вообще был), и первые организмы были анаэробными. Так
как продукция в среднем превосходила дыхание, за геологическое время в
атмосфере накапливался кислород и уменьшалось содержание углекислого
газа. Сейчас содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается в результате сжигания больших количеств горючих ископаемых и уменьшения
поглотительной способности «зелёного пояса». Последнее является результатом уменьшения количества самих зелёных растений, а также связано с тем,
что пыль и загрязняющие частицы в атмосфере отражают поступающие в атмосферу лучи.
В результате антропогенной деятельности степень замкнутости биогеохимических круговоротов уменьшается. Хотя она довольно высока (для
различных элементов и веществ она не одинакова), но тем не менее не абсолютна, что и показывает пример возникновения кислородной атмосферы.
Иначе невозможна была бы эволюция (наивысшая степень замкнутости био11
геохимических круговоротов наблюдается в тропических экосистемах наиболее древних и консервативных).
Таким образом, следует говорить не об изменении человеком того, что
не должно меняться, а скорее о влиянии человека на скорость и направление
изменений и на расширение их границ, нарушающее правило меры преобразования природы. Последнее формулируется следующим образом: в ходе
эксплуатации природных систем нельзя превышать некоторые пределы, позволяющие этим системам сохранять свойства самоподдержания. Нарушение
меры как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения приводит к отрицательным результатам. Например, избыток вносимых удобрений столь же
вреден, сколь и недостаток. Это чувство меры утеряно современным человеком, считающим, что в биосфере ему всё позволено.
Преодоление экологических трудностей связывают с разработкой и
введением в эксплуатацию замкнутых технологических циклов. Создаваемые
человеком циклы превращения материалов считается желательным устраивать так, чтобы они были подобны естественным циклам круговорота веществ.
Теоретически замкнутые циклы превращения вещества возможны. Однако полная и окончательная перестройка индустрии по принципу круговорота вещества в природе не реальна. Хотя бы временное нарушение замкнутости технологического цикла практически неизбежно, например, при создании синтетического материала с новыми, неизвестными природе свойствами.
Такое вещество вначале всесторонне апробируется на практике, и только потом могут быть разработаны способы его разложения с целью внедрения составных частей в природные круговороты.
2. Круговорот веществ в биосфере.
Процессы фотосинтеза органического вещества из неорганических
компонентов продолжается миллионы лет, и за такое время химические элементы должны были перейти из одной формы в другую. Однако этого не
происходит благодаря их круговороту в биосфере. Ежегодно фотосинтези12
рующие организмы усваивают около 350 млрд т углекислого газа, выделяют
в атмосферу около 250 млрд т кислорода и расщепляют 140 млрд т воды, образуя более 230 млрд т органического вещества (в пересчёте на сухой вес).
Различают два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).
Большой круговорот, продолжающийся миллионы лет, заключается в
том, что горные породы подвергаются разрушению, а продукты выветривания (в том числе растворимые в воде питательные вещества) сносятся потоками воды в Мировой океан, где они образуют морские напластования и
лишь частично возвращаются на сушу с осадками. Геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещения
морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти
напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.
Малый круговорот (часть большого) происходит на уровне экосистемы
и состоит в том, что питательные вещества, вода и углерод аккумулируются в
веществе растений, расходуются на построение тела и на жизненные процессы как самих этих растений, так и других организмов (как правило животных), которые поедают эти растения (консументы). Продукты распада органического вещества под действием деструкторов и микроорганизмов (бактерии, грибы, черви) вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вовлекаемых ими в потоки вещества.
3. Круговорот углерода.
Самый интенсивный биогеохимический цикл - круговорот углерода. В
природе углерод существует в двух основных формах - в карбонатах (известняках) и углекислом газе. Содержание последнего в 50 раз больше, чем в атмосфере. Углерод участвует в образовании углеводов, жиров, белков и нуклеиновых кислот.
Основная масса аккумулирована в карбонатах на дне океана (1016 т), в
кристаллических породах (1016 т), каменном угле и нефти (1016 т) и участвует
в большом цикле круговорота.
13
Звено большого цикла круговорота углерода представляет собой анаэробное дыхание (без доступа кислорода); различные виды анаэробных бактерий преобразуют органические соединения в метан и другие вещества
(например, в болотных экосистемах, на свалках отходов).
В малом цикле круговорота участвует углерод, содержащийся в растительных тканях (около 1011 т) и тканях животных (около 109 т).
4. Круговорот азота.
Газообразный азот возникает в результате реакции окисления аммиака,
образующегося при извержении вулканов и разложении биологических отходов:
4NH3 + 3O2 2N2 + 6H2O.
Круговорот азота - один из самых сложных, но одновременно самых
идеальных круговоротов. Несмотря на то что азот составляет около 80% атмосферного воздуха, в большинстве случаев он не может быть непосредственно использован растениями, т.к. они не усваивают газообразный азот.
Вмешательство живых существ в круговорот азота подчинено строгой иерархии: только определённые категории организмов могут оказывать влияние на
отдельные фазы этого цикла. Газообразный азот непрерывно поступает в атмосферу в результате работы некоторых бактерий, тогда как другие бактерии
- фиксаторы (вместе с сине-зелёными водорослями) постоянно поглощают
его, преобразуя в нитраты. Неорганическим путём нитраты образуются и в
атмосфере в результате электрических разрядов во время гроз.
Самые активные потребители азота - бактерии на корневой системе
растений семейства бобовых. Каждому виду этих растений присущи свои
особые бактерии, которые превращают азот в нитраты. В процессе биологического цикла нитрат-ионы (NO3-) и ионы аммония (NH4+), поглощаемы растениями из почвенной влаги, преобразуются в белки, нуклеиновые кислоты и
т.д. Далее образуются отходы в виде погибших организмов, являющихся
объектами жизнедеятельности других бактерий и грибов, преобразующих их
в аммиак. Так возникает новый цикл круговорота. Существуют организмы,
14
способные превращать аммиак в нитриты, нитраты и в газообразный азот.
Биологическая активность организмов дополняется промышленными способами получения азотосодержащих органических и неорганических веществ,
многие из которых применяются в качестве удобрений для повышения продуктивности и роста растений.
Антропогенное влияние на круговорот азота определяется следующими процессами:
- сжигание топлива приводит к образованию оксида азота, затем способствуя выпадению кислотных дождей;
- в результате воздействия некоторых бактерий на удобрения и отходы
животноводства образуется закись азота - один из компонентов, создающих
парниковый эффект;
- добыча полезных ископаемых, содержащих нитрат-ионы и ионы аммония, для производства минеральных удобрений;
- при сборе урожая из почвы выносятся нитрат-ионы и ионы аммония;
- стоки с полей, ферм и из канализаций увеличивают количество нитрат-ионов и ионов аммония в водных экосистемах, что ускоряет рост водорослей и других растений; при разложении последних расходуется кислород,
что в конечном счёте приводит к гибели рыб.
5. Круговорот фосфора.
Фосфор - один из основных компонентов (главным образом в виде и )
живого вещества и входит в состав нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), клеточных мембран, аденозинтрифосфата (АТФ) и аденозиндифосфата (АДФ),
жиров, костей и зубов. Круговорот фосфора, как и других биогенных элементов, совершается по большому и малому циклам.
Запасы фосфора, доступные живым существам, полностью сосредоточены в литосфере. Основные источники неорганического фосфора - изверженные или осадочные породы. В земной коре содержание фосфора не превышает 1%, что лимитирует продуктивность экосистем. Из пород земной коры неорганический фосфор вовлекается в циркуляцию континентальными
15
водами. Он поглощается растениями, которые при его участии синтезируют
различные органические соединения и таким образом включаются в трофические цепи. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и выделениями живых существ возвращаются в землю, где снова подвергаются
воздействию микроорганизмов и превращаются в минеральные формы, употребляемые зелёными растениями.
В наземных системах круговорот фосфора проходит в оптимальных
естественных условиях с минимумом потерь. В океане дело обстоит иначе.
Это связано с постоянным оседанием (седиментацией) органических веществ. Осевший на небольшой глубине органический фосфор возвращается в
круговорот. Фосфаты, отложенные на больших морских глубинах не участвуют в малом круговороте. Однако тектонические движения способствуют
подъёму осадочных пород к поверхности.
Рассматривая круговорот фосфора в масштабе биосферы за сравнительно короткий период, можно сделать вывод, что он полностью не замкнут.
Запасы фосфора на земле малы. Поэтому считают, что фосфор - основной
фактор, лимитирующий рост первичной продукции биосферы. Полагают даже, что фосфор - главный регулятор всех других биогеохимических циклов,
это - наиболее слабое звено в жизненной цепи, которая обеспечивает существование человека.
Антропогенное влияние на круговорот фосфора состоит в следующем:
- добыча больших количеств фосфатных руд для минеральных удобрений и моющих средств приводит к уменьшению количества фосфора в биотическом круговороте;
- стоки с поле, ферм и коммунальные отходы приводят к увеличению
фосфат-ионов в водоёмах, к резкому росту водных растений и нарушению
равновесия в водных экосистемах.
IV. Антропогенное воздействие на окружающую среду.
16
Под антропогенными воздействиями понимают деятельность, связанную с реализацией экономических, военных, рекреационных, культурных и
других интересов человека, вносящую физические, химические, биологические и другие изменения в окружающую природную среду.
Известный эколог Б. Коммонер (1974) выделял пять, по его мнению,
основных видов вмешательства человека в экологические процессы:
— упрощение экосистемы и разрыв биологических циклов;
— концентрация рассеянной энергии в виде теплового загрязнения;
— рост числа ядовитых отходов от химических производств;
— введение в экосистему новых видов;
— появление генетических изменений в организмах растений и животных.
Подавляющая часть антропогенных воздействий носит целенаправленный характер, т. е. осуществляется человеком сознательно во имя достижения конкретных целей. Существуют и антропогенные воздействия стихийные, непроизвольные, имеющие характер последействия (Котлов, 1978).
Например, к этой категории воздействий относятся процессы подтопления
территории, возникающие после ее застройки.
Нарушения основных систем жизнеобеспечения биосферы связаны в
первую очередь с целенаправленными антропогенными воздействиями. По
своей природе, глубине и площади распространения, времени действия и характеру приложения они могут быть различными.
Анализ экологических последствий антропогенных воздействий позволяет разделить все их виды на положительные и отрицательные (негативные). К положительным воздействиям человека на биосферу можно отнести
воспроизводство природных ресурсов, восстановление запасов подземных
вод, полезащитное лесоразведение, рекультивацию земель на месте разработок полезных ископаемых и некоторые другие мероприятия.
17
Отрицательное (негативное) воздействие человека на биосферу проявляется в самых разнообразных и масштабных акциях: вырубке леса на
больших площадях, истощении запасов пресных подземных вод, засолении и
опустынивании земель, резком сокращении численности, а также исчезновении видов животных и растений, и т. д.
Главнейшим и наиболее распространенным видом отрицательного
воздействия человека на биосферу является загрязнение. Наиболее развернутую характеристику этого понятия приводит известный французский ученый
Ф. Рамад (1981): «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. Эти изменения могут влиять на человека
прямо или через сельскохозяйственную продукцию, через воду или другие
биологические продукты (вещества)».
По объектам загрязнения различают загрязнение поверхностных и
подземных вод, загрязнение атмосферного воздуха, загрязнение почв и т. д. В
последние годы актуальными стали и проблемы, связанные с загрязнением
околоземного космического пространства.
По видам загрязнений выделяют химическое, физическое и биологическое загрязнение (по Н. Ф. Реймерсу, 1990; с изменениями). По своим
масштабам и распространению загрязнение может быть местным, региональным и глобальным.
- ингредиентное (минеральное и органическое) загрязнение как совокупность веществ, чуждых естественным биогеоценозам (например, бытовые
стоки, ядохимикаты, продукты сгорания и т. д);
- параметрическое загрязнение, связанное с изменениями качественных параметров окружающей среды (тепловое, шумовое, радиационное,
электромагнитное);
18
- биоценотическое загрязнение, вызывающее нарушение в составе и
структуре популяций живых организмов (перепромысел, направленная интродукция и акклиматизация видов и т. д.);
- стациально-деструкционное загрязнение (стация — место обитания
популяции, деструкция — разрушение), связанное с нарушением и преобразованием ландшафтов и экосистем в процессе природопользования (зарегулирование водотоков, урбанизация, вырубка лесных насаждений и пр.).
Без всякого преувеличения можно отметить, что воздействие человека на биосферу в целом и на отдельные ее компоненты (атмосферу, гидросферу, литосферу и биотические сообщества) достигло к настоящему времени беспрецедентных размеров. Современное состояние планеты Земля оценивается как глобальный экологический кризис. Особенно возросли темпы
роста ингредиентных и параметрических загрязнителей, причем не только в
количественном, но и в качественном отношении. Негативные тенденции
этих воздействий на человека и биоту носят не только выраженный локальный, но и глобальный характер.
Лекция 2
II. Химия гидросферы.
1.
Гидрологический цикл. Уникальные свойства воды.
2.
Химический состав природных вод.
3.
Характеристики основных классов загрязняющих веществ в водной среде.
4.
Основные источники поступления загрязняющих веществ в водную среду.
1. Гидрологический цикл. Уникальные свойства воды.
Гидросфера – совокупность всех водных объектов земного шара: океанов,
морей, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод, ледников, снежного покрова. Вода – основа гидросферы – одно из самых распространенных химических соединений на Земле. Это единственное вещество, которое в природных
19
условиях на поверхности нашей планеты встречается в твердом, жидком и газообразном состоянии. Она является главной составной частью живых организмов.
Основную часть воды на Земле составляет соленая вода морей и океанов ,
покрывающие 2/3 поверхности Земли. Несмотря на кажущееся изобилие воды,
лишь ничтожная часть ее пригодна для питья. Бóльшая часть пресной воды на
Земле сосредоточена в ледниках Антарктиды, Гренландии и Арктики, а также в
подземных запасах, пока малодоступных для человека.
Круговорот воды в природе (гидрологический цикл) — процесс циклического перемещения воды в земной биосфере. Состоит из испарения, конденсации и осадков.
Моря теряют из-за испарения больше воды, чем получают с осадками, на
суше — положение обратное. Вода непрерывно циркулирует на земном шаре,
при этом её общее количество остаётся неизменным.
Постоянный обмен влагой между гидросферой, атмосферой и земной поверхностью, состоящий из процессов испарения, передвижения водяного пара в
атмосфере, его конденсации в атмосфере, выпадения осадков и стока, получил
название - круговорота воды в природе. Атмосферные осадки частично испаряются, частично образуют временные и постоянные водостоки и водоемы, частично просачиваются в землю и образуют подземные воды.
Различают несколько видов круговоротов воды в природе: 1. Большой,
или мировой, круговорот - водяной пар, образовавшейся над поверхностью океанов, переносится ветрами на материки, выпадает там в виде атмосферных
осадков и возвращается в океан в виде стока. В этом процессе изменяется качество воды: При испарении соленая морская вода превращается в пресную, а загрязненная - очищается. 2. Малый, или океанический, круговорот - водяной пар,
образовавшейся над поверхностью океана, сконденсируется и выпадает в виде
осадков снова в океан. 3. Внутриконтинентальный круговорот - вода, которая
испарилась над поверхностью суши, опять выпадают на сушу в виде атмосферных осадков.
20
В конце концов осадки в процессе движения опять достигают Мирового
океана.
Скорость переноса различных видов воды изменяется в широких пределах, так и периоды расходов, и периоды обновления воды также разные. Они
изменяются от нескольких часов до нескольких десятков тысячелетий. Атмосферная влага, которая образуется при испарении воды из океанов, морей и суши и существует в виде облаков, обновляется в среднем через восемь дней. Воды, входящих в состав живых организмов, восстанавливаются в течение нескольких часов. Это наиболее активная форма водообмена. Период обновления
запасов воды в горных ледниках составляет около 1 600 лет, в ледниках полярных стран значительно больше - около 9 700 лет. Полное обновление вод Мирового океана происходит примерно через 2 700 лет.
1. Свойства воды
К свойствам воды относятся бесцветность, отсутствие запаха и вкуса,
прозрачность, текучесть.
Вода способна переносить много веществ и притом разными способами.
Если положить в стакан чистой воды ложку соли или сахара, то они быстро
растворятся в воде, перестанут быть видимы в ней. Но это не значит, что соль
или сахар исчезли вовсе или превратились в другое вещество. Вкус раствора
легко узнать, и по вкусу можно определить, какое вещество положили в воду:
соль или сахар. Просто молекулы растворенного вещества перемешались с молекулами воды.
Как и все прочие вещества, вода при нагревании расширяется. Конечно,
это расширение невелико и мало заметно. Если налить воды в колбу с длинным
узким горлышком и нагревать ее, то можно заметить поднятие уровня воды в
горлышке. Соответственно, при охлаждении вода сжимается.
У теплового расширения воды есть одна очень важная особенность. Как
ведет себя вода при замерзании? Продолжает ли сжиматься?
21
Можно проделать такой опыт. Налить холодной воды в бутылку столько,
чтобы выливалась, и плотно закупорив пробкой, поставить на мороз. Через некоторое время вода в бутылке замерзнет и саму бутылку разорвет на куски.
Льдышка в форме бутылки окажется шире самой бутылки. Значит, вода при замерзании расширяется и с довольно большой силою. В домах с водяным отоплением при аварии в зимнее время, отопительные батареи могут охладиться
настолько, что вода в них замерзнет - и разорвет батареи. В зимнее время, случается, лопаются и водопроводные трубы, поэтому их положено закапывать на
такую глубину, где земля не промерзает. Иными словами, расширение воды при
замерзании - явление довольно известное и не всегда безопасное.
Но у него есть и другое, очень важное, значение. Если вода при замерзании расширяется, то лед должен быть легче воды, поскольку при охлаждении
то же самое количество воды начинает занимать уже больший объем. Как расширившийся теплый воздух "всплывает" в окружающем плотном холодном
воздухе, так и лед всплывает на поверхность воды.
Благодаря этому свойству наши реки и озера зимою не промерзают до
дна. Если бы лед был плотнее воды, он тонул бы в ней, а вода постоянно оказывалась бы поверх его на самом морозе и быстро вся замерзала. На самом же деле температура воды у дна держится около 4-х градусов тепла, а ледяной покров на реке, будучи еще занесен пушистым снегом, вполне способен сохранить внутри воду от замерзания. Конечно, к весне слой льда делается все толще,
если бы зима стояла круглый год, реки, в конце концов, промерзли бы и до дна.
Но за время обычной зимы этого не происходит.
Известно, что в природе вода может находиться в трех различных состояниях, таких как: газообразное, жидкое или твердое.
Облака, снег и дождь представляют собой различные состояния воды.
Облако состоит из множества капелек воды или кристалликов льда, снежинка это совокупность мельчайших кристалликов льда, а дождь-это всего лишь жидкая вода.
22
Вода, находящаяся в газообразном состоянии, называется водяным паром. Когда говорят о количестве влажности в воздухе, обычно подразумевают
количество водяных паров. Если воздух описывается как «влажный», это означает, что в воздухе содержится большое количество водяных паров.
Лед - твердая фаза воды. Толстый слой льда имеет голубоватый цвет, что
связано с особенностями преломления им света.
II. Химический состав природных воды
В водных растворах подавляющее большинство солей существует в
виде ионов. В природных водах преобладают три аниона (гидрокарбонат
HCO3-, хлорид Cl- и сульфат SO42-) и четыре катиона (кальций Ca2+, магний Mg2+, натрий Na+ и калий K+) - их называют главными ионами. Хлорид-ионы придают воде солёный вкус, сульфат-ионы, ионы кальция и магния
- горький, гидрокарбонат-ионы безвкусны. Они составляют в пресных водах
свыше 90-95 %, а в высокоминерализованных - свыше 99 % всех растворенных веществ. Обычно нижним пределом концентрации для главных ионов
считают 1 мг/л, поэтому в ряде случаев, например для морских и некоторых
подземных вод, к главным компонентам можно отнести также Br-, B3+, Sr3+ и
др. Отнесение ионов K+ к числу главных является спорным. В подземных и
поверхностных водах эти ионы, как правило, занимают второстепенное положение. Только в атмосферных осадках ионы K+ могут играть главную роль.
Под влиянием климатических и других условий химический состав
природных вод изменяется и приобретает характерные черты, иногда специфические для различных видов природных вод (атмосферные осадки, реки,
озера, подземные воды).
23
Атмосферные осадки из всех природных вод наименее минерализованы, но по химическому составу растворенных в них веществ они не менее
разнообразны, чем другие природные воды. Источником их состава являются
аэрозоли атмосферы. Ионный состав их довольно разнообразен. При колебаниях средней многолетней минерализации атмосферных осадков в европейской части России в пределах 10-20 мг/л и экстремальных значениях для всей
территории 3-4 и 50-60 мг/л ионный состав характеризуется пестротой, причем среди анионов большей частью преобладает SO42- или HCO3-, а среди катионов в зависимости от степени удаленности от побережья Ca2+ или Na+.
Не поддаются даже приблизительной оценке громадные количества солевых частиц, поднимаемых с почв, соленых озер, поверхности льда, удобрений и, наконец, выбрасываемых химическими и металлургическими производствами, и выбрасываемые в атмосферу в результате другой деятельность
людей, а в дальнейшем вымываемые осадками.
24
Воды большинства рек принадлежат к гидрокарбонатному классу. По
составу катионов эта вода имеет почти исключительно преобладание кальция; гидрокарбонатные воды с преобладанием магния и натрия - крайне редкое явление. Из природных вод гидрокарбонатного класса наиболее распространены воды малой минерализации (суммарное содержание солей до 200
мг/л).
Реки с водой, относящейся к сульфатному классу, сравнительно малочисленны. Они распространены преимущественно в степной полосе и частично в полупустынях. В составе катионов природных вод сульфатного
класса, так же как и в водах гидрокарбонатного класса, преобладает кальций.
Однако ряд рек сульфатного класса имеет преобладание натрия. По минерализации воды сульфатного класса значительно превосходят воды гидрокарбонатного класса. Речные сульфатные воды с малой (общее количество солей
до 200 мг/л) и средней (общее количество солей с 200 до 500 мг/л) минерализацией встречаются сравнительно редко. Наиболее характерна для этих рек
повышенная (общее количество солей с 500 до 1000 мг/л), а иногда и высокая
(общее количество солей более 1000 мг/л) минерализация воды.
Минерализация и химический состав воды озер в отличие от рек
меняется в очень широких пределах. Реки с минерализацией воды свыше
100-200 мг/л, в каких бы условиях они ни находились, - очень редкое явление, в то время как минерализация воды озер бывает от очень низкой, в несколько десятков мг/л (т.е. мало отличающейся от дождевом) до очень высокой 3-3,5% (соляные озера с рассолом до предела насыщенного солями). Различие в минерализации отражается и на ионном составе воды озер. В нем
наблюдаются закономерности, которые свойственны и химическому составу
речной воды.
Состав морской воды характеризуется большим содержанием солей.
Если в водах материкового стока чаще всего наблюдается соотношение кон25
центраций: HCO3- > SO42- > Cl- и Ca2+ > Mg2+ > Na+ или Ca2+ > Na+ > Mg2+, то
для солоноватых и морских вод, начиная с общей минерализации 1 г/кг, соотношения меняются:: Cl- > SO42- > HCO3- и Na+ > Mg2+ > Ca2+. Изменение
соотношений между нонами от речных к морским водам объясняется последовательным достижением предела растворимости слаборастворимых солей
по мере повышения минерализации воды. В сумме ионы и соединения главных компонентов составляют по массе 99,99 % массы всех растворенных в
океанской воде минеральных веществ.
Концентрации микроэлементов настолько малы, что в сумме они не
превышают 0,01 % массы всех растворенных солей. Из обобщающей сводки
В.В. Гордеева и А.П. Лисицына следует, что в наибольших концентрациях
встречаются литий (180 мкг/л), рубидий (120 мкг/л), барий (18 мкг/л), в
наименьших - золото (0,004 мкг/л), редкоземельные элементы (менее 0,001
мкг/л), радий (10-7 мкг/л).
Органические вещества
Органическим веществом природных вод называют комплекс истинно
растворенных и коллоидных веществ органических соединений. По происхождению органические вещества природных вод могут быть разделены на
поступающие извне (с водосборной площади) и образующиеся в самом вод26
ном объекте. К первой группе относятся главным образом гумусовые вещества, вымываемые водой из почв, торфяников, лесного перегноя и других видов природных образований, включающих остатки растений, и органические
вещества, поступающие с промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами. Из гумусовых веществ для гидрохимии наибольший интерес
представляют гуминовые и фульвокислоты.
Общая концентрация органического вещества в природных водах, изменяясь в широких пределах, бывает наибольшей в болотных водах (в которых при большой концентрации гумусовых веществ она иногда достигает
500 мг/л и более) и реках с болотным питанием, причем болотная вода бывает окрашенной в желтый и коричневый цвет. Высокая концентрация органического вещества иногда встречается в подземных водах, связанных с нефтеносными месторождениями. В некоторых поверхностных водах, особенно в
реках с болотным питанием, вещества гумусового происхождения являются
основной частью химического состава воды.
Газы в природной воде.
Если налить в стакан холодную воду из-под крана и поставить в тёплое
место, на стенках появятся пузырьки газа. Газы были растворены в холодной
воде и выделились при нагревании (поскольку растворимость газов при
нагревании уменьшается). Это кислород, азот и углекислый газ. Растворимость газа в воде обычно падает с повышением температуры, что связано с
повышением кинетической энергии молекул газа, способствующей преодолению сил притяжения молекул воды. Все природные воды представляют газовые растворы. Наиболее широко распространены в поверхностных водах
кислород O2 и двуокись углерода CO2, а в подземных - сероводород H2S и
метан CH4. Иногда CO2 в значительных количествах может насыщать также
воды глубоких горизонтов. Кроме того, во всех природных водах постоянно
присутствует азот N2.
Кислород (O2) находится в природной воде в виде растворенных молекул. Кислород, являясь мощным окислителем, играет особую роль в форми27
ровании химического состава природных вод. Кислород поступает в воду в
результате происходящих в природе процессов фотосинтеза и из атмосферы.
Расходуется кислород на окисление органических веществ, а также в процессе дыхания организмов.
Диоксид углерода (CO2) находится в воде главным образом в виде
растворенных молекул газа CO2. Однако часть их (около 1 %) вступает во
взаимодействие с водой, образуя угольную кислоту:
CO2 + H2O ↔ H2CO3
Газ метан (CH4) относится к числу наиболее распространенных газов
в подземных водах. В газовой фазе подземных вод почти всегда количественно преобладает азот, двуокись углерода или метан.
Газ сероводород (H2S) является одним из продуктов распада белкового
вещества, содержащего в своем составе серу, и поэтому скопление его часто
наблюдается в придонных слоях водоемов вследствие гниения различных органических остатков.
Мезоэлементы
Кроме главных ионов, содержание которых в воде достаточно велико,
ряд элементов: азот, фосфор, кремний, алюминий, железо, фтор - присутствуют в ней в концентрациях от 0,1 до 10 мг/л. Они называются мезоэлементами (от греч. "мезос" - "средний", "промежуточный").
Микроэлементы
К этой группе относятся элементы, соединения которых встречаются в
природных водах в очень малых концентрациях, поэтому их и называют
микроэлементами. Их концентрация измеряется микрограммами в 1 л
(мкг/л), а часто имеет и более малые значения. Микроэлементы представляют
собой самую большую группу элементов химического состава природных
вод, в нее входят все элементы периодической системы, не включенные в
предыдущие группы рассмотренных компонентов. Условно их можно разделить на пять подгрупп: 1) типичные катионы (Li+, Rb+, Cs+, Be2+, Sr2+, Ba2+ и
др.); 2) ионы тяжелых металлов (Cu2+, Ag+, Au+, Pb2+, Fe2+, Ni2+, Co2+ и др); 3)
28
амфотерные комплексообразователи (Cr, Mo, V, Mn); 4) типичные анионы
(Br-, I-, F-); 5) радиоактивные элементы. Микроэлементы необходимы для
нормальной жизнедеятельности растений, животных и человека. Однако при
повышенной концентрации многие микроэлементы вредны и даже ядовиты
для живых организмов.
III. Характеристики основных классов загрязняющих веществ в
водной среде.
Под загрязнением водных ресурсов понимают любые изменения физических, химических и биологических свойств воды в водоемах в связи со
сбрасыванием в них жидких, твердых и газообразных веществ, которые причиняют или могут создать неудобства, делая воду данных водоемов опасной
для использования, нанося ущерб народному хозяйству, здоровью и безопасности населения.
Загрязнение поверхностных и подземных вод можно классифицировать
следующим образом :
•
механическое - повышение содержания механических примесей,
свойственное в основном поверхностным видам загрязнений;
•
химическое - наличие в воде органических и неорганических ве-
ществ токсического и нетоксического действия;
•
бактериальное и биологическое - наличие в воде разнообразных
патогенных микроорганизмов, грибов и мелких водорослей;
•
радиоактивное - присутствие радиоактивных веществ в поверх-
ностных или подземных водах;
•
тепловое - выпуск в водоемы подогретых вод тепловых и атомных
электростанций.
Основными источниками загрязнения и засорения водоемов являются недостаточно очищенные сточные воды промышленных и коммунальных предприятий, крупных животноводческих комплексов; отходы производства при разработке рудных ископаемых, сточные воды шахт и рудни29
ков; сточные воды при обработке и сплаве лесоматериалов; стоки водного и
железнодорожного транспорта; техногенные отходы предприятий металлургического комплекса и т. д.
Загрязняющие вещества сточных вод, попадая в природные водоемы, приводят к качественным изменениям, которые в основном проявляются в изменении физических свойств воды (появление неприятного запаха,
привкуса и др.), в изменении ее химического состава.
Изменения химического и физического состояния или биологических
характеристик воды, ограничивающие дальнейшее ее употребление. При
всех типах водопользования меняются либо физическое состояние (например, при нагревании), либо химический состав воды - при поступлении загрязняющих веществ, которые делятся на две основные группы: со временем
изменяющиеся в водной среде и остающиеся в ней неизменными. К первой
группе относятся органические компоненты бытовых стоков и большая часть
промышленных. Вторую группу составляют многие неорганические соли,
например сульфат натрия, который используется как краситель в текстильной промышленности, и неактивные органические вещества типа пестицидов.
В водах, испытывающих тепловое загрязнение, часто создаются условия, приводящие к гибели рыб. Там снижается содержание кислорода, так
как он слабо растворяется в теплой воде, однако потребность в кислороде
резко возрастает, поскольку увеличиваются темпы его потребления аэробными бактериями и рыбами.
Искусственные материалы, которые разлагаются биологическим путем,
увеличивают нагрузку на бактерии, что, в свою очередь, влечет рост потребления растворенного кислорода. Эти материалы специально создаются таким
образом, чтобы они могли легко перерабатываться бактериями, т.е. разлагаться. Естественные органические вещества обычно биоразлагаемы. Первые
синтетические моющие средства были устойчивы к биологическому разложению. Когда огромные клубы мыльной пены стали скапливаться у муници30
пальных очистных сооружений и нарушать работу некоторых водоочистных
станций, то к этому обстоятельству было привлечено внимание общественности. Производители моющих средств разрешили проблему, сделав свою
продукцию биоразлагаемой. Но такое решение спровоцировало и негативные
последствия, поскольку привело к повышению БПК водотоков, принимающих сточные воды, а, следовательно, ускорению темпов расхода кислорода.
Образование газов. Аммиак является основным продуктом микробиологического разложения белков и выделений животных. Аммиак и его газообразные производные амины образуются как при наличии, так и при отсутствии растворенного в воде кислорода. В первом случае аммиак окисляется
бактериями с образованием нитратов и нитритов. В отсутствие кислорода
аммиак не окисляется, и его содержание в воде остается стабильным. При
снижении содержания кислорода образовавшиеся нитриты и нитраты превращаются в газообразный азот. В зависимости от вида бактерий образуются
углекислый газ (СО2), водород (Н2) и метан (СН4) - горючий газ без цвета и
запаха, который называют также болотным газом. Эвтрофикация, или эвтрофирование, - процесс обогащения водоемов питательными веществами, особенно азотом и фосфором, главным образом биогенного происхождения. В
результате происходит постепенное зарастание озера и превращение его в
болото.
Тепловое загрязнение. Температура воды, используемой на тепловых
электростанциях для охлаждения пара, повышается на 3-10° С, а иногда до
20° С. Плотность и вязкость нагретой воды отличаются от свойств более холодной воды принимающего бассейна, поэтому они перемешиваются постепенно. Теплая вода охлаждается либо вокруг места слива, либо в смешанном
потоке, текущем вниз по течению реки. Мощные электростанции заметно
нагревают воды в реках и бухтах, на которых они расположены. Летом, когда
потребность в электрической энергии для кондиционирования воздуха очень
велика и ее выработка возрастает, эти воды часто перегреваются. Существуют яркие примеры того, как в результате повышения температуры воды по31
гибали рыбы, возникали препятствия на пути их миграций, быстрыми темпами размножались водоросли и другие низшие сорные растения, происходили
несвоевременные сезонные изменения водной среды.
Накопление токсичных органических веществ. Устойчивость и ядовитость пестицидов обеспечили успех в борьбе с насекомыми (в том числе с
малярийными комарами), различными сорняками и прочими вредителями,
которые уничтожают посевы. Однако было доказано, что пестициды также
являются экологически вредными веществами, так как накапливаются в разных организмах и циркулируют внутри пищевых, или трофических, цепей.
Уникальные химические структуры пестицидов не поддаются обычным процессам химического и биологического разложения. Следовательно, когда
растения и прочие живые организмы, обработанные пестицидами, потребляются животными, ядовитые вещества аккумулируются и достигают высоких
концентраций в их организме. По мере того как более крупные животные поедают более мелких, эти вещества оказываются на более высоком уровне
трофической цепи. Это происходит как на суше, так и в водоемах. Химикаты,
растворенные в дождевой воде и поглощенные частицами почвы, в результате их вымывания попадают в грунтовые воды, а затем - в реки, дренирующие
сельскохозяйственные угодья, где начинают накапливаться в рыбах и более
мелких водных организмах. Хотя некоторые живые организмы и приспособились к этим вредным веществам, бывали случаи массовой гибели отдельных видов, вероятно, из-за отравления сельскохозяйственными ядохимикатами. Например, инсектициды ротенон и ДДТ и пестициды 2,4-D и др.
нанесли сильный удар по ихтиофауне. Даже если концентрация ядовитых
химикатов несмертельна, эти вещества могут привести к гибели животных
или другим пагубным последствиям на следующей ступени трофической цепи. Например, чайки погибали после употребления в пищу больших количеств рыбы, содержащей высокие концентрации ДДТ, а некоторые другие
виды птиц, питающиеся рыбой, в том числе белоголовый орлан и пеликан,
оказались под угрозой вымирания вследствие снижения воспроизводства. Из32
за попавших в их организм пестицидов яичная скорлупа становится настолько тонкой и хрупкой, что яйца бьются, а зародыши птенцов погибают.
Радиоактивное загрязнение. Радиоактивные изотопы, или радионуклиды (радиоактивные формы химических элементов), также аккумулируются внутри пищевых цепей, так как являются устойчивыми по своей природе. В процессе радиоактивного распада ядра атомов радиоизотопов испускают элементарные частицы и электромагнитное излучение. Этот процесс
начинается одновременно с формированием радиоактивного химического
элемента и продолжается до тех пор, пока все его атомы не трансформируются под воздействием радиации в атомы других элементов. Каждый радиоизотоп характеризуется определенным периодом полураспада - временем, за
которое число атомов в любом его образце уменьшается вдвое. Поскольку
период полураспада многих радиоактивных изотопов весьма значителен
(например, миллионы лет), их постоянное излучение может в конце концов
привести к ужасным последствиям для живых организмов, населяющих водоемы, в которые сбрасываются жидкие радиоактивные отходы. Известно,
что радиация разрушает ткани растений и животных, приводит к генетическим мутациям, бесплодию, а при достаточно высоких дозах - к гибели. Механизм воздействия радиации на живые организмы до сих пор окончательно
не выяснен, но радиация накапливается, и повторяющееся облучение малыми
дозами может, в конечном счете, действовать так же, как и однократное
сильное облучение.
Влияние токсичных металлов. Такие токсичные металлы, как ртуть,
мышьяк, кадмий и свинец, тоже обладают кумулятивным эффектом. Результат их накопления небольшими дозами может быть таким же, как и при получении однократной большой дозы. Ртуть, содержащаяся в промышленных
стоках, осаждается в донных илистых отложениях в реках и озерах. Обитающие в илах анаэробные бактерии перерабатывают ее в ядовитые формы
(например, метилртуть), которые могут приводить к серьезным поражениям
нервной системы и мозга животных и человека, а также вызывать генетиче33
ские мутации. Метилртуть - летучее вещество, выделяющееся из донных
осадков, а затем вместе с водой попадающее в организм рыбы и накапливающееся в ее тканях. Несмотря на то что рыбы не погибают, человек, съевший
такую зараженную рыбу, может отравиться и даже умереть. Другим хорошо
известным ядом, поступающим в растворенном виде в водотоки, является
мышьяк. Он был обнаружен в малых, но вполне измеримых количествах в
моющих средствах, содержащих водорастворимые ферменты и фосфаты, и
красителях, предназначенных для окрашивания косметических салфеток и
туалетной бумаги. С промышленными стоками в акватории попадают также
свинец (используемый в производстве металлических изделий, аккумуляторных батарей, красок, стекла, бензина и инсектицидов) и кадмий (используемый главным образом в производстве аккумуляторных батарей).
Другие неорганические загрязнители. В водоприемных бассейнах
некоторые металлы, например железо и марганец, окисляются либо в результате химических либо биологических (под влиянием бактерий) процессов.
Так, например, образуется ржавчина на поверхности железа и его соединений. Растворимые формы этих металлов существуют в разных типах сточных
вод: они были обнаружены в водах, просочившихся из шахт и со свалок металлолома, а также из естественных болот. Соли этих металлов, окисляющиеся в воде, становятся менее растворимыми и образуют твердые окрашенные
осадки, выпадающие из растворов. Поэтому вода приобретает цвет и становится мутной. Так, стоки железорудных шахт и свалок металлолома окрашены в рыжий или оранжево-коричневый цвет из-за присутствия оксидов железа (ржавчины). Такие неорганические загрязнители, как хлорид и сульфат
натрия, хлорид кальция и др. (т.е. соли, образующиеся при нейтрализации
кислотных или щелочных промышленных стоков), не могут быть переработаны биологическим или химическим путем. Хотя сами эти вещества не
трансформируются, они оказывают влияние на качество вод, в которые сбрасываются стоки. Во многих случаях нежелательно использовать "жесткую"
воду с высоким содержанием солей, так как они образуют осадок на стенках
34
труб и котлов. Такие неорганические вещества, как цинк и медь, поглощаются илистыми донными осадками водотоков, принимающих сточные воды, а
затем вместе с этими тонкими частицами транспортируются течением. Их
токсическое действие сильнее в кислой среде, чем в нейтральной или щелочной. В кислых сточных водах угольных шахт цинк, медь и алюминий достигают концентраций, смертельных для водных организмов. Некоторые загрязнители, будучи в отдельности не особенно токсичными, при взаимодействии
превращаются в ядовитые соединения (например, медь в присутствии кадмия).
IV.
Основные источники поступления загрязняющих веществ в водную среду.
Населенные пункты. Наиболее известным источником загрязнения
воды, которому традиционно уделяется главное внимание, являются бытовые
(или коммунальные) сточные воды. Водопотребление городов обычно оценивают на основе среднего суточного расхода воды на одного человека, в
США равного примерно 750 л и включающего воду питьевую, для приготовления пищи и личной гигиены, для работы бытовых сантехнических
устройств, а также для полива лужаек и газонов, тушения пожаров, мытья
улиц и других городских нужд. Почти вся использованная вода поступает в
канализацию. Поскольку ежедневно в сточные воды попадает огромный объем фекалий, главной задачей городских служб при переработке бытовых стоков в коллекторах очистных установок является удаление патогенных микроорганизмов. При повторном использовании недостаточно очищенных фекальных стоков содержащиеся в них бактерии и вирусы могут вызвать кишечные заболевания (тиф, холеру и дизентерию), а также гепатит и полиомиелит. В растворенном виде в сточных водах присутствуют мыло, синтетические стиральные порошки, дезинфицирующие средства, отбеливатели и дру35
гие вещества бытовой химии. Из жилых домов поступает бумажный мусор,
включая туалетную бумагу и детские подгузники, отходы растительной и
животной пищи. С улиц в канализацию стекает дождевая и талая вода, часто,
с песком или солью, используемыми для ускорения таяния снега и льда на
проезжей части улиц и тротуарах.
Промышленность. В индустриально развитых странах главным потребителем воды и самым крупным источником стоков является промышленность. Промышленные стоки в реки по объему в 3 раза превышают коммунально-бытовые. Вода выполняет разные функции, например, служит сырьем, обогревателем и охладителем в технологических процессах, кроме того, транспортирует, сортирует и промывает разные материалы. Вода также
выводит отходы на всех стадиях производства. Поскольку гораздо дешевле
выбрасывать отходы разных производственных циклов, чем перерабатывать
и утилизовать. Более половины стоков, поступающих в водоемы, дают четыре основные отрасли промышленности: целлюлозно-бумажная, нефтеперерабатывающая, промышленность органического синтеза и черная металлургия
(доменное и сталелитейное производства). Из-за растущего объема промышленных отходов нарушается экологическое равновесие многих озер и рек.
Тепловое загрязнение. Наиболее масштабное однократное употребление воды - производство электроэнергии, где она используется главным образом для охлаждения и конденсации пара, вырабатываемого турбинами тепловых электростанций. При этом вода нагревается в среднем на 7° С, после
чего сбрасывается непосредственно в реки и озера, являясь основным источником дополнительного тепла, который называют "тепловым загрязнением".
Против употребления этого термина имеются возражения, поскольку повышение температуры воды иногда приводит к благоприятным экологическим
последствиям.
Сельское хозяйство. Вторым основным потребителем воды является
сельское хозяйство, использующее ее для орошения полей. Стекающая с них
вода насыщена растворами солей и почвенными частицами, а также остатка36
ми химических веществ, способствующих повышению урожайности. К ним
относятся инсектициды; фунгициды, которые распыляют над фруктовыми
садами и посевами; гербициды, знаменитое средство борьбы с сорняками; и
прочие пестициды, а также органические и неорганические удобрения, содержащие азот, фосфор, калий и иные химические элементы. Кроме химических соединений, в реки попадает большой объем фекалий и других органических остатков с ферм, где выращиваются мясо-молочный крупный рогатый
скот, свиньи или домашняя птица. Много органических отходов также поступает в процессе переработки продукции сельского хозяйства (при разделке мясных туш, обработке кож, производстве пищевых продуктов и консервов и т.д.).
Лекция 3
III. Проблемы водоочистки и водообработки
1. Сточные воды и их типы.
2. Методы очистки сточных вод.
3. Проблемы загрязнения питьевой воды в результате хлорирования.
1. Сточные воды и их типы
Общее количество воды на земле оценивается в 14000 млн.км3. Однако
стационарные запасы пресных вод, пригодных для использования составляют всего 0,3 % объема гидросферы ( около 4 млн.км3 ).
Вода на нашей планете находится в состоянии круговорота. Под действием солнечной энергии вода испаряется с поверхности мирового океана и
суши, а затем выпадает в виде атмосферных осадков.
С поверхности мирового океана испаряется около 412 тысяч км 3 в год,
а количество атмосферных осадков, выпадающих на поверхность морей и
океанов, составляют около 310 тыс. км3 в год. Разница и представляет собой
речной сток с суши в моря и океаны.
37
Единовременный запас воды во всех реках земного шара составляет
примерно 1200 км3, причем этот объем возобновляется примерно каждые 12
суток.
Речной сток состоит из подземного и поверхностного. Наиболее ценным является подземный источник воды.
В природе не существует воды, которая не содержала бы примесей.
Даже атмосферные осадки содержат до 100 мг / л различных загрязнителей.
По степени минерализации вода делится на маломинерализованную (до
200 мг / л солей), среднеминерализованную (200 - 500 мг / л) и сильноминерализованную (до 1000 мг/л). Природные воды содержат также коллоидные,
мелкодисперсные газы - кислород, диоксид углерода (СО2) и другие.
Состав сточных вод
Водоотводящие системы и сооружения - это один из видов инженерного оборудования и благоустройства населенных пунктов, жилых, общественных и производственных зданий, обеспечивающих необходимый санитарногигиенические условия труда, быта и отдыха населения. Системы водоотведения и очистки состоят из комплекса оборудования, сетей и сооружений,
предназначенных для приема и удаления по трубопроводам бытовых производственных и атмосферных сточных вод, а также для их очистки и обезвреживания перед сбросом в водоем или утилизацией.
Объектами водоотведения являются здания различного назначения, а
также вновь строящиеся, существующие и реконструируемые города, поселки, промышленные предприятия, санитарно-курортные комплексы и т.п.
Сточные воды - это воды, использованные на бытовые, производственные или другие нужды и загрязненные различными примесями, изменившими их первоначальный химический состав и физические свойства, а также
воды, стекающие с территории населенных пунктов и промышленных предприятий в результате выпадения атмосферных осадков или поливки улиц.
В зависимости от происхождения вида и состава сточные воды подразделяются на три основные категории: бытовые (поступают от жилых и об38
щественных зданий, а также от бытовых помещений и промышленных предприятий); производственные (воды, использованные в технологических
процессах, не отвечающие более требованиям, предъявляемым к их качеству;
к этой категории вод относят воды, откачиваемые на поверхность земли при
добыче полезных ископаемых); атмосферные (дождевые и талые; вместе с
атмосферными отводятся воды от полива улиц, от фонтанов и дренажей).
В практике используется также понятие городские сточные воды, которые представляют собой смесь бытовых и производственных сточных вод.
Бытовые, производственные и атмосферные сточные воды отводятся как
совместно, так и раздельно. Наиболее широкое распространение получили
общесплавные и раздельные системы водоотведения. При общесплавной системе все три категории сточных вод отводятся по одной общей сети труб и
каналов за пределы городской территории на очистные сооружения. Раздельные системы состоят из нескольких сетей труб и каналов: по одной из них
отводятся дождевые и незагрязненные производственные сточные воды, а по
другой или по нескольким сетям - бытовые и загрязненные производственные сточные воды.
Сточные воды представляют собой сложные гетерогенные смеси, содержащие примеси органического и минерального происхождения, которые
находятся в нерастворенном коллоидном и растворенном состоянии. Степень
загрязнения сточных вод оценивается концентрацией, т.е. массой примесей в
единицу объема мг/л или г/куб.м.
Производственные сточные воды делятся на две основные категории:
загрязненные и незагрязненные (условно чистые). Загрязненные производственные сточные воды подразделяются на три группы.
1.Загрязненные преимущественно минеральными примесями (предприятия металлургической, машиностроительной, рудо - и угледобывающей
промышленности; заводы по производству кислот, строительных изделий и
материалов, минеральных удобрений и др.).
39
2.Загрязненные преимущественно органическими примесями (предприятия мясной, рыбной, молочной, пищевой, целлюлозно-бумажной, микробиологической, химической промышленности).
3.Загрязненные минеральными и органическими примесями (предприятия нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, текстильной, легкой, фармацевтической промышленности).
Типы сточных вод
Производственные сточные воды в основном загрязнены отходами и
выбросами производства. Количественный и качественный состав таких стоков разнообразен и зависит от отрасли промышленности, ее технологических
процессов. По составу сточные воды делят на три основные группы, содержащие:
•
неорганические примеси (в том числе токсические);
•
органические примеси;
•
неорганические и органические загрязняющие примеси.
К первой группе относятся сточные воды содовых, сульфатных,
азотно-туковых заводов, обогатительных фабрик свинцовых, цинковых, никелевых руд и т. д., в которых содержатся кислоты, щелочи, ионы тяжелых
металлов и др. Сточные воды этой группы в основном изменяют физические свойства воды.
Сточные воды второй группы сбрасывают нефтеперерабатывающие и
нефтехимические заводы, предприятия органического синтеза, коксохимические и др. В стоках содержатся различные нефтепродукты, аммиак, альдегиды, смолы, фенолы и другие вредные вещества. Вредоносное действие
сточных вод этой группы заключается, главным образом, в окислительных
процессах, вследствие которых уменьшается содержание в воде кислорода,
40
увеличивается биохимическая потребность в нем, ухудшаются органолептические показатели воды.
Сточные воды третьей группы образуются в процессах гальванохимической обработки поверхностей, производстве печатных плат электронной техники, в коксохимических и других технологических процессах. В составе этих стоков присутствуют неорганические кислоты, ионы тяжелых металлов, ПАВ, масла, красители, смолы и другие вещества.
Нефть и нефтепродукты на современном этапе являются основными загрязнителями внутренних водоемов, вод и морей Мирового океана. Попадая в водоемы, они создают разные формы загрязнения: плавающую на воде нефтяную пленку, растворенные или эмульгированные в воде нефтепродукты, осевшие на дно тяжелые фракции и т. д. При этом изменяется запах,
вкус, окраска, поверхностное натяжение, вязкость воды, уменьшается количество кислорода, появляются вредные органические вещества, вода приобретает токсические свойства и представляет угрозу не только для человека.
Всего 12 г нефти делают непригодной для употребления тонну воды.
Довольно вредным загрязнителем промышленных вод является фенол.
Фенол содержится в сточных водах многих нефтехимических предприятий
и коксохимических производств. При этом резко снижаются биологические
процессы водоемов, процесс их самоочищения, вода приобретает специфический запах карболки.
На жизнь обитателей водоемов пагубно влияют сточные воды
целлюлозно-бумажной промышленности. Окисление древесной массы,
разложение смолы и других экстрактивных продуктов сопровождается поглощением значительного количества кислорода, что приводит к гибели икры, мальков и взрослых рыб. Из гниющей древесины и коры выделяются в
воду различные дубильные вещества, а топляк нередко полностью забивает
дно, лишая рыб нерестилищ и кормовых мест. Волокна и другие нерастворимые вещества стоков засоряют воду и ухудшают ее физико-химические свой-
41
ства. На рыбах и на их корме - беспозвоночных - неблагоприятно отражаются
молевые сплавы.
Объекты ядерной энергетики загрязняют реки радиоактивными
стоками. Радиоактивные вещества концентрируются в мельчайших планктонных микроорганизмах и в рыбе, затем по цепи питания передаются другим животным. Установлено, что радиоактивность планктонных обитателей
в тысячи раз выше, чем радиоактивность воды, в которой они живут.
Сточные воды, имеющие повышенную радиоактивность (100
Кюри на 1 л и более), подлежат захоронению в подземных бессточных бассейнах и специальных резервуарах.
Рост населения, расширение старых и возникновение новых городов значительно увеличили поступление бытовых стоков во внутренние водоемы. Эти сточные воды стали источником загрязнения рек и озер болезнетворными бактериями и гельминтами. В еще большей степени загрязняют
водоемы моющие синтетические средства, широко используемые в быту.
Они находят широкое применение также в промышленности и сельском хозяйстве. Содержащиеся в них химические вещества, поступая со сточными
водами в реки и озера, оказывают значительное негативное влияние на биологический и физический режимы водоемов. В результате снижается способность вод к насыщению кислородом, парализуется деятельность бактерий,
минерализующих органические вещества.
В связи с расширением пищевой промышленности и животноводства все более дают о себе знать стоки предприятий данных отраслей.
Сточные воды, содержащие растительные волокна, животные и
растительные жиры, фекальную массу, остатки плодов и овощей, отходы кожевенной и целлюлозно-бумажной промышленности, сахарных и пивоваренных заводов, предприятий мясомолочной, консервной и кондитерской промышленности, являются причиной органических загрязнений водоемов.
В сточных водах обычно содержится около 60% веществ органического
происхождения, к этой же категории органических веществ относятся биоло42
гические загрязнения (бактерии, вирусы, грибы, водоросли) в коммунальнобытовых, медико-санитарных водах и отходах кожевенных и шерстомойных
предприятий.
Сточные воды тепловых электростанций.
Нагретые сточные воды тепловых электростанций и других производств причиняют «тепловое загрязнение», которое угрожает довольно серьезными последствиями: в нагретой воде меньше кислорода, резко изменяется
термический режим, что отрицательно влияет на флору и фауну водоемов,
при этом возникают благотворные условия для массового развития в водохранилищах сине-зеленых водорослей - так называемого «цветения воды».
При использовании в технологических процессах вода загрязняется различными органическими и минеральными веществами, в том числе и
ядовитыми. Одним из источников загрязнения окружающей среды вредными
веществами, и в первую очередь тяжелыми металлами, являются сточные
воды гальванических производств.
Сточные воды гальванических производств.
Гальванические покрытия используются практически во всех отраслях
промышленности. В Российской Федерации по оценке специалистов сегодня
существует около 7000 таких цехов (только в Москве более 300 гальванических цехов и участков, производств печатных плат электронной техники).
Гальваническое производство является одним из крупных потребителей
цветных металлов и достаточно дорогих химических реактивов. Оно потребляет не менее 15% никеля, 50% цинка, 70% меди, производимых в нашей
стране. Общая поверхность изделий, подвергаемых гальваническому покрытию, к 2002 г. превышала 0,5 млрд м2/г, а к 2005 г. составила до 2 млрд м2/г.
Несмотря на существенные различия в технологии металлопокрытий различных изделий, все они создают в процессе эксплуатации отходы, которые мо43
гут находиться в жидком, твердом, пастообразном или газообразном состоянии, представляя собой различную степень опасности и токсичности для
окружающей природной среды и человека.
Ежегодно для промывки изделий после гальванических покрытий
расходуется не менее 650 млн. тонн чистой воды. Ежегодно при промывке
изделий после гальвано-химических покрытий из рабочих ванн выносится не
менее 3300 т цинка, 2400 т никеля, 2500 т меди, десятки тысяч тонн других
металлов, кислот и щелочей.
Источниками загрязнения окружающей среды в гальванотехнике являются не только промывные воды, но и отработанные концентрированные
растворы. Выход из строя рабочих растворов происходит по причинам
накопления в электролитах посторонних органических и неорганических веществ и нарушения соотношения основных компонентов гальванических
ванн. Сбросы отработанных растворов по объему составляют 0,2-0,3% от
общего количества сточных вод, а по общему содержанию сбрасываемых загрязнений достигают 70%.
Попадание неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод и
других видов отходов, содержащих цветные металлы, в водные объекты
наносит ущерб народному хозяйству и окружающей природе не только из-за
потерь используемых в производстве металлов, но и вследствие огромного
негативного их воздействия на окружающую среду. Так, по данным Москомприроды, в Москве за сутки из-за несовершенства технологий обработки
сточных вод и осадков сбрасывается в канализацию более 100 тыс. тонн
жидких отходов, содержащих около 18 т цветных металлов. В списке городов
РФ Москва числится одним из городов с высокой степенью загрязнения воздуха, воды и почвы.
Техногенные источники опасности в последние годы становятся
более серьезными факторами экологического риска, чем природные. В
Москве насчитывается более 70 химически опасных объектов (ХОО). К хи44
мически опасным объектам Москвы относятся две группы предприятий.
Первая группа - промышленные предприятия, на которых опасные химические вещества являются исходным сырьем, образуются на промежуточных
стадиях технологических процессов, являются конечными продуктами, используются при производстве тех или иных изделий. Вторая группа - это
многочисленные объекты пищевой промышленности, в которой сильнодействующие ядовитые вещества используются в холодильных установках и морозильниках (аммиак), оптовые продуктовые базы (аммиак), водоочистные
станции (хлор), объекты Мосводоканала, склады и базы химических реактивов и кислот, ТЭЦ (аммиак, серная и соляная кислота), автозаправочные
станции (бензин, дизельное топливо) и другие. Нужно отметить, что 50 из 70
химически опасных объектов относятся ко второй группе. Причем, объекты
второй группы, как правило, располагаются обычно в черте города - в густонаселенных районах. На ХОО Москвы содержится от 1,5 до 170 т аммиака,
от 10 до 400 т соляной кислоты, от 5 до 340 т хлора, до 60 т серной кислоты и
до 110 т азотной кислоты.
Сточные воды химической промышленности
Сточные воды, образующиеся на предприятиях химических производств, а также стоки, отводимые с территории промышленных предприятий, можно разделить на три категории:
•
производственные сточные воды (использованные в технологиче-
ском процессе производства или образующиеся при добыче полезных ископаемых);
•
бытовые стоки (от санитарных узлов производственных и непро-
изводственных корпусов и зданий, а также от душевых установок, имеющихся на территории промышленных предприятий);
•
атмосферные стоки (дождевые и образующиеся от таяния снега).
45
Производственные сточные воды можно подразделить на два
основных вида: незагрязненные и загрязненные.
Незагрязненные производственные сточные воды поступают от
холодильных, компрессорных, теплообменных аппаратов. Кроме того, такие
стоки образуются при охлаждении технологического оборудования и продуктов производства
Загрязненные производственные сточные воды содержат различные примеси, такие стоки могут быть загрязнены преимущественно органическими или преимущественно минеральными примесями.
Производственные сточные воды можно различать также по физическим свойствам, например, по температуре кипения: кипящие при температуре ниже 120 °С, 120-250 °С и выше 250 °С (в зависимости от свойств содержащихся в них примесей).
По степени агрессивности сточные воды разделяют на:
•
слабоагрессивные (слабокислые, рН 6-6,5 и слабощелочные, рН 8-
•
сильноагрессивные (сильнокислые, рН < 6 и сильнощелочные, рН
•
неагрессивные (рН 6,5-8).
9);
> 9);
Для формирования состава производственных сточных вод большое значение имеет вид перерабатываемого сырья. Так, основным загрязняющим компонентом сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий является нефть, нефтепродукты. Состав сточных вод зависит также от технологического процесса, состава исходных компонентов, промежуточных продуктов, выпускаемых продуктов, состава исходной воды, местных условий и
от других факторов.
46
На различных предприятиях даже при одинаковых технологических процессах состав производственных сточных вод, режим водоотведения
и удельный расход на единицу выпускаемой продукции будут неодинаковы.
Качественная характеристика производственных сточных вод
важна для выбора метода их очистки, контроля эксплуатации очистных сооружений и сбросом сточных вод, а также для решения вопросов о возможности повторного использования стоков, извлечения и утилизации веществ,
загрязняющих воду.
2.
Методы очистки сточных вод.
Методы, применяемые для очистки производственных и бытовых
сточных вод, можно разделить на три группы: механические; физикохимические, биологические.
В комплекс очистных сооружений, как правило, входят сооружения
механической очистки. В зависимости от требуемой степени очистки они могут дополняться сооружениями биологической либо физико-химической
очистки, а при более высоких требованиях в состав очистных сооружений
включаются сооружения глубокой очистки. Перед сбросом в водоем очищенные сточные воды обеззараживаются, образующийся на всех стадиях
очистки осадок или избыточная биомасса поступает на сооружения по обработке осадка. Очищенные сточные воды могут направляться в оборотные системы водообеспечения промышленных предприятий, на сельскохозяйствен47
ные нужды или сбрасываться в водоем. Обработанный осадок может утилизироваться, уничтожаться или складироваться.
Механическая очистка применяется для выделения из сточных вод нерастворенных минеральных и органических примесей. Как правило, она является методом предварительной очистки и предназначена для подготовки
сточных вод к биологическим или физико-химическим методам очистки. В
результате механической очистки обеспечивается снижение взвешенных веществ до 90%, а органических веществ до 20%. Усреднители применяются
для регулирования и расхода сточных вод. Усреднение достигается либо
дифференцированием потока поступающей сточной воды, либо интенсивным
перемешиванием отдельных стоков.
Первичные отстойники применяются для выделения из сточных вод
взвешенных веществ, которые под действием гравитационных сил оседают
на дно отстойника, или всплывают на его поверхность.
Для очистки сточных вод, содержащих нефть и нефтепродукты, при
концентрациях более 100 мг/л применяют нефтеловушки. Эти сооружения
представляют собой прямоугольные резервуары, в которых происходит разделение нефти и воды за счет разности их плотностей.
Биологическая очистка - широко применяемый на практике метод обработки бытовых и производственных сточных вод. В его основе лежит процесс биологического окисления органических соединений, содержащихся в
сточных водах. Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов, включающим множество различных бактерий, простейших и
ряд более высокоорганизованных организмов - водорослей, грибов и т.д.,
связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями
(метабиоза, симбиоза и антагонизма).
Химические и физико-химические методы очистки играют значительную роль при обработке производственных сточных вод. Они применяются
как самостоятельные, так и в сочетании с механическими и биологическими
методами. К ним относятся:
48
Тепловой способ. Кипячение воды в течение 12-20 мин убивает все неспорообразующие микроорганизмы. Для уничтожения спор применяют
нагрев воды до 1200С под давлением или дробную стерилизацию воды - ее
кипятят в течение 15 мин, охлаждают до 350С, выдерживают при этой температуре 2ч для прорастания спор и снова нагревают до кипения.
Действие ультрафиолетового излучения. Вода, длительное время
находящаяся на солнечном свету, освобождается от патогенных микроорганизмов. Облучение воды ультрафиолетовыми лучами хорошо обеззараживает воду, свободную от взвешенных и коллоидных примесей.
Действие ионизирующего излучения. Облучение воды рентгеновскими лучами, г- и в- излучателями обеззараживает воду.
Действие ультразвуковых колебаний убивает большинство микроорганизмов. Интенсивность ультразвукового излучения должна быть не менее 2
вт/см2 при продолжительности озвучивания не менее 5 мин.
Обеззараживание воды фильтрованием. В качестве обеззараживающих используют так называемые ультрафильтры из микропористой керамики
или фарфора фильтры с асбестоцеллюлозными фильтрующими пластинами,
мембранные ультрафильтры и др.
Обеззараживание воды озоном. Это наиболее эффективный метод
обеззараживания воды. Однако он весьма дорог.
Обеззараживание воды с помощью бактерицидного излучения.
Обеззараживание воды бактерицидным излучением может производиться
только тогда, когда подлежащая обеззараживанию вода обладает малой цветностью и не содержит коллоидных и взвешенных веществ, поглощающих и
рассеивающих ультрафиолетовые лучи.
Нейтрализация применяется для обработки производственных сточных
вод многих отраслей промышленности, содержащих щелочи и кислоты.
На данный момент человечеством накоплен огромный опыт в области
очистки загрязненных потоков воды. Кстати, очистка хозяйственно быто49
вых сточных вод существовала с очень давних времен – по свидетельствам
историков данные системы использовались еще пять-шесть тысяч лет назад в
Китае и в Индии.
Проблема очистки хозяйственно бытовых вод была актуальна во все
времена. Человечество имело возможность убедиться в этом на собственном
печальном опыте, когда в средние века в западноевропейских странах очистке хозяйственных и бытовых вод уделялось недостаточное внимание.
Что касается нашей страны, то здесь первые очистные сооружения были построены в двенадцатом веке в Новгороде.
В настоящее время проблема очистки сточных хозяйственно бытовых
вод решена на довольно высоком техническом уровне, что стало возможным
благодаря современным достижениям науки и технического прогресса. Кроме того, современные системы водоочистки воды обеспечивают абсолютную
защиту окружающей среды. Но при этом стоит сказать, что в тех населенных
пунктах, где отсутствует централизованная система водоснабжения, ситуация с очисткой сточной воды напоминает ситуацию в средневековой Европе.
В таких городах и поселках проблема очистки загрязненной воды ложится на
плечи самих жителей, и они повсеместно решают ее любым доступными методами, в частности, устанавливают автономные системы канализации, которые в отличие от выгребных ям не накапливают загрязненную воду, а производят ее очистку.
Таким образом, очистка хозяйственно бытовых сточных вод с помощью локальных установок канализации делится на три основных вида:

биологический;

химический;

механический.
50
Если рассматривать каждый из них в отдельности, то можно сказать,
что механический метод очистки подразумевает удаление из сточной воды
загрязнения, находящиеся в ней во взвешенном состоянии. Но в данном способе существует один существенный недостаток – вода не очищается от загрязнителей, находящихся в растворенном виде. Поэтому данное средство
очистки лучше всего использовать первичной ступени.
Химическая очистка сточной воды основана на использовании химических реагентов, под воздействием которых органические и неорганические
загрязняющие вещества соединяются в труднорастворимые соединения, а затем выпадают в осадок.
Но данный метод слишком дорогой, поэтому наиболее удачным решением является биологическая очистка хозяйственно бытовых сточных вод.
Он основан на применении бактерий, которые в процессе своей жизнедеятельности поглощают вредные загрязняющие элементы, тем самым очищая
воду.
3.
Проблемы загрязнения питьевой воды в результате хлорирования.
По мнению многих экспертов, хлорирование воды - это самое крупное
изобретение в медицине, а точнее в профилактической гигиене XX века,
принесшее огромную пользу человеку...
Хлорирование воды - обработка воды хлором и его соединениями.
Наиболее распространённый способ обеззараживания питьевой воды; основан на способности свободного хлора и его соединений угнетать ферментные
системы микробов, катализирующие окислительно-восстановительные процессы.
По мнению многих экспертов, хлорирование воды - это самое крупное
изобретение в медицине, а точнее в профилактической гигиене XX века,
51
принесшее огромную пользу человеку. Именно хлорирование воды, а не открытие антибиотиков, инсулина или пересадка сердца спасло больше всего
жизней. Оно остановило распространение кишечных инфекций в городах.
Не секрет, что хлор - это яд. Яд настолько сильный, что именно хлор
был одним из первых газов, использовавшихся в первой мировой войне в качестве химического оружия. Токсичность хлора связана с его высокой окислительной способностью - он входит в тройку самых сильных галогенов. Это
в свою очередь означает, что хлор способен разрушать любую органику и создавать на ее основе хлорорганические соединения.
В последнее время появляются новые методы обеззараживания воды.
Но они пока еще дороже хлорирования и не гарантируют от заражения уже
обработанной воды после того, как она пошла по трубам. А потому отказываться от хлора еще рано. Во всяком случае, когда от хлора отказались в Перу для сокращения числа раковых заболеваний, то это привело к тяжелой
вспышки холеры.
Для хлорирования воды на водопроводных очистных станциях используется жидкий хлор и хлорная известь (для станций малой производительности). При введении хлора в воду образуются хлорноватистая и соляная кислоты
С12 + Н2О = НОС1 + НС1
Далее происходит диссоциация образовавшейся хлорноватистой кислоты
НОС1 *Н+ + ОС1Получающиеся в результате диссоциации хлорноватистой кислоты гипохлоритные ионы ОС1~ обладают наряду с недиссоциированными молекулами
хлорноватистой
кислоты
бактерицидным
свойством.
52
Сумму
С12+НОС1+ОС1-
называют
свободным
активным
хлором.
Количество активного хлора, необходимого для обеззараживания воды,
должно определяться не по количеству болезнетворных бактерий, а по всему
количеству органических веществ и микроорганизмов (а также и неорганических веществ, способных к окислению), которые могут находиться в хлорируемой воде.
Правильное назначение дозы хлора является исключительно важным.
Недостаточная доза хлора может привести к тому, что он не окажет необходимого бактерицидного действия; излишняя доза хлора ухудшает вкусовые
качества воды. Поэтому доза хлора должна быть установлена в зависимости
от индивидуальных свойств очищаемой воды на основании опытов с этой
водой.
В чем польза хлорирования воды
Широкому распространению хлора в технологиях водоподготовки способствовала его эффективность при обеззараживании природных вод и способность консервировать уже очищенную воду длительное время. Кроме того, предварительное хлорирование воды позволяет снизить цветность воды,
устранить ее запах и привкус, уменьшить расход коагулянтов, а также поддерживать удовлетворительное санитарное состояние очистных сооружений
станций водоподготовки.
Эффективность, доступность и умеренная стоимость, а так же большой
опыт работы с этим реагентом обеспечили хлору исключительную роль - более 90% водопроводных станций в мире обеззараживают и обесцвечивают
воду хлором, расходуя до 2 млн тонн этого жидкого реагента в год.
Однако хлор как реагент водоподготовки имеет существенные недостатки. Например, хлор и хлорсодержащие соединения обладают высокой
токсичностью, что требует строгого соблюдения повышенных требований
53
техники безопасности. Хлор воздействует, в основном, на вегетативные формы микроорганизмов, при этом грамм-положительные штаммы бактерий более устойчивы к воздействию хлора, чем грамм-отрицательные штаммы микроорганизмов.
В чем проблема?
Наиболее важной проблемой данного метода является высокая активность хлора, он вступает в химические реакции со всеми органическими и
неорганическими веществами находящимися в воде. В воде из поверхностных источников (которые в основном являются источниками водозабора)
находится огромное количество сложных органических веществ природного
происхождения, а также в большинстве крупных промышленных городов в
воду попадают с промышленными стоками красители, ПАВ, нефтепродукты,
фенолы и пр.
При хлорировании воды, содержащей вышеприведенные вещества,
образуются хлорсодержащие токсины, мутагенные и канцерогенные вещества и яды, в том числе диоксиды, а именно:

Хлороформ, обладающий канцерогенной активностью

Дихлорбромметан, хлоридбромметан, трибромметан - об-
ладающие мутагенными свойствами

2,4,6-трихлорфенол,
2-хлорфенол,
дихлорацетонитрил,
хлоргиередин, полихлорированные бифенилы - являющиеся иммунотоксичными и канцерогенными веществами

Тригалогенметаны - канцерогенные соединения хлора
Данные вещества оказывают замедленное убийственное воздействие
на организм человека. Очистка питьевой воды от хлора не решает проблемы,
так как многие из опасных соединений образующиеся в воде в процессе ее
хлорирования попадают в организм человека через кожу, во время мытья,
54
приема ванн или посещения бассейна. По некоторым данным, часовое принятие ванны содержащей в избыточном количестве хлорированную воду соответствует десяти литрам выпитой хлорированной воды.
Первые попытки связать онкологическую заболеваемость населения с
качеством питьевой воды были предприняты еще в 1947 году. Но вплоть до
1974 года хлорирование воды никак не связывали с онкологией. Считалось,
что хлорированная вода не оказывает на здоровье человека неблагоприятного
действия.
Чем опасен хлор, попадающий в организм человека
Побочный эффект от вредного воздействия хлора может быть вызван
двумя способами: когда хлор проникает в организм через дыхательные пути,
и когда хлор проникает через кожу. Ученые во всем мире исследуют эту проблему. Они связывают многие опасные заболевания с попаданием в человеческий организм хлора или вредных побочных продуктов хлорирования воды. К этим заболеваниям относят:

рак мочевого пузыря

рак желудка

рак печени

рак прямой и ободочной кишки.
Но страдают не только органы пищеварения. Также хлор может стать
причиной болезни сердца, атеросклероза, анемии, повышенного давления. Помимо этого хлор сушит кожу (вспомните ощущение стянутости кожи после бассейна), разрушает структуру волос (они начинают больше выпадать, становятся
ломкими, тусклыми, безжизненными), раздражает слизистую оболочку глаз.
Эпидемиологи США провели исследование: они сравнили карту хлорирования воды с картой распределения заболеваний раком мочевого пузыря и ор-
55
ганов пищеварения. Выявили прямую зависимость: чем больше содержание хлора в воде, тем чаще встречается заболевание.
Лекция 4
IV. Химия почв
1.
Происхождение, химический состав и органическое вещество
почвы.
2.
Почвообразование и факторы почвообразования.
3.
Понятие геохимического барьера.
4.
Общая характеристика загрязнения почв.
1. Происхождение, химический состав и органическое вещество почвы.
Почва — самостоятельное естественноисторическое органоминеральное природное тело, возникшее на поверхности Земли в результате длительного воздействия биотических, абиотических и антропогенных факторов, состоящее из твёрдых минеральных и органических частиц, воды и воздуха и
имеющее специфические генетико-морфологические признаки, свойства, создающие для роста и развития растений соответствующие условия.
Химический состав почвы является отражением элементарного состава
всех геосфер, принимающих участие в формировании почвы. Поэтому в состав всякой почвы входят те элементы, которые распространены или встречаются как в литосфере, так и в гидро-, атмо- и биосфере.
В состав почв входят почти все элементы периодической системы
Менделеева. Однако подавляющее их большинство встречается в почвах в
очень малых количествах, поэтому в практике приходится иметь дело всего с
56
15 элементами. К ним принадлежат прежде всего четыре элемента органогена, т. е. С, N, О и Н, как входящие в состав органических веществ, затем из
неметаллов S, Р, Si и С1, а из металлов Na, К, Са, Mg, AI, Fe и Мn.
Перечисленные 15 элементов, составляя основу химического состава
литосферы в целом, в то же время входят в зольную часть растительных и
животных остатков, которая, в свою очередь, образуется за счет элементов,
рассеянных в массе почвы. Количественное содержание в почве этих элементов различно: на первое место надо поставить О и Si, на второе — А1 и Fe, на
третье — Са и Mg, а затем — К и все остальные.
Нормальный рост растений обусловлен содержанием в почве доступных форм зольных элементов и азота. Обычно растения усваивают из почвы
N, Р, К, Mg, Fe в достаточно больших количествах и эти элементы называются макроэлементами, а В, Mn, Mo, Сu, Zn, Со, F используются в ничтожных
количествах и называются микроэлементами. К важнейшим из них относятся
элементы, без которых невозможно образование белков,— N, Р, S, Fe, Mg;
такие элементы, как К, Сu, Mg, Na, оказывают огромное влияние на регуляцию работы клеток и формирование различных тканей растений.
Для характеристики плодородия почвы наибольшее значение имеет содержание гумуса, азота, фосфора и калия. Определение содержания в почве
тех или других химических элементов и форм их соединений является задачей химического анализа почв.
Содержание гумуса в верхнем горизонте почв разного типа колеблется
в широких пределах, но для каждого типа и подтипа почвы оно является достаточно устойчивым и поэтому характерным показателем. Для остальных
элементов, наряду с их валовым содержанием (которое свидетельствует о той
или иной степени плодородия почвы), необходимо знать содержание их форм
растениями.
57
Валовое содержание в почвах азота и фосфора (в верхнем горизонте)
обычно выражается в десятых долях процента, калия содержится до двух и
более процентов. Содержание же их усвояемых форм не превышает тысячных долей процента и его принято выражать в миллиграммах на 100 г почвы.
Органическое вещество почвы - Органическое вещество почвы комплекс органических соединений, входящих в состав почвы; один из основных признаков, отличающих почву от материнской породы. Количество и
состав содержащихся в почве органических веществ тесно связаны с направлением процесса почвообразования, биологическими, физическими, химическими свойствами почвы и ее плодородием. Органическое вещество почвы
отличается сложным составом. В него входят различной степени разложения
растительные и животные остатки.
Основной источник органического вещества в почве - опад растительного покрова в виде отмирающих корней и надземной массы. Меньшая часть
органической массы поступает в почву в форме отмерших животных и микроорганизмов.
Основные химические компоненты органических остатков - жиры, простые
сахара, полисахариды (клетчатка, гемицеллюлозы), белки, аминокислоты,
лигнины и другие вещества.
Органические остатки в почве под воздействием микроорганизмов
подвергаются гумификации. В этом сложном процессе 70 - 80 % компонентов, входящих в состав органических остатков, разлагается до конечных продуктов (воды, аммиака, углекислоты) и некоторого количества низкомолекулярных органических соединений. Остальная часть (20 - 30 %) превращается
в гумусовые вещества.
Органические вещества почвы имеют огромное значение в образовании почвенной структуры и как источник минерального питания растений,
так как с каждой тонной растительной массы в почву поступает 5 - 10 кг азо58
та и 30 - 50 кг зольных веществ (фосфора, калия, кальция, серы и других элементов). Кроме того, органическое вещество почвы служит источником углекислого газа, а также физиологически активных веществ (витаминов, стимуляторов роста, антибиотиков), поступающих в почву с растительными остатками и вырабатываемых микроорганизмами.
В условиях сельскохозяйственного производства важно рационально
использовать органическое вещество почвы, пополняя его запасы путем внесения навоза, торфа, компостов, посевом многолетних трав.
2. Почвообразование и факторы почвообразования
К факторам почвообразования относятся: почвообразующие породы,
растительные и животные организмы, климат, рельеф, возраст, вода (почвенная и грунтовая), хозяйственная деятельность человека.
Почвообразующие породы
Почвообразующие породы — субстрат, на котором образуются почвы;
они состоят из различных минеральных компонентов, в той или иной степени
участвующих в почвообразовании. Минеральное вещество составляет 6090% всего веса почвы. От характера материнских пород зависят физические
свойства почвы — водный и тепловой ее режимы, скорость передвижения
веществ в почве, минералогический и химический состав, первоначальное
содержание элементов питания для растений.
От характера материнских пород в большой мере зависит и тип почв.
Например, в условиях лесной зоны, как правило, формируются почвы подзолистого типа. Если в пределах этой зоны почвообразующие породы содержат
повышенное количество карбонатов калия, формируются почвы подзолистого типа. Если в пределах этой зоны почвообразующие породы содержат по-
59
вышенное количество карбонатов кальция, формируются почвы, значительно
отличающиеся от подзолистых.
Растительность
Органические соединения почвы формируются в результате жизнедеятельности растений, животных и микроорганизмов. Основная роль при этом
принадлежит растительности. Зеленые растения являются практически единственными создателями первичных органических веществ. Поглощая из атмосферы углекислый газ, из почвы — воду и минеральные вещества, используя энергию солнечного света, они создают сложные органические соединения, богатые энергией. Наибольшее количество органических веществ дают
лесные сообщества, особенно в условиях влажных тропиков. Меньше органического вещества создается в условиях тундры, пустынь, болотистой местности и т.почв
В процессе отмирания как целых растений, так и отдельных их частей
органические вещества поступают в почву (корневой и наземный спад). Количество годового спада колеблется в значительных пределах: во влажных
тропических лесах он достигает 250 ц/га, в арктических тундрах — менее 10
ц/га, а в пустынях — 5—6 ц/га. На поверхности почвы органическое вещество под воздействием животных, бактерий, грибов, а также физических и
химических агентов разлагается с образованием почвенного гумуса. Зольные
вещества пополняют минеральную часть почвы. Неразложившийся растительный материал образует так называемую лесную подстилку (в лесах) или
войлок (в степях и лугах). Эти образования оказывают влияние на газообмен
почвы, проницаемость осадков, на тепловой режим верхнего слоя почвы,
почвенную фауну и жизнедеятельность микроорганизмов.
Растительность оказывает влияние на структуру и характер органических веществ почвы, ее влажность. Степень и характер влияния растительно-
60
сти как почвообразующего фактора зависит от видового состава растений,
густоты их стояния, химизма и многих других факторов.
Животные организмы
Основная функция животных организмов в почве — преобразование
органических веществ. В почвообразовании принимают участие как почвенные, так и наземные животные. В почвенной среде животные представлены
главным образом беспозвоночными и простейшими. Некоторое значение
имеют также позвоночные (например, кроты и др.), постоянно живущие в
почве. Почвенные животные делятся на две группы: биофагов, питающихся
живыми организмами или тканями животных организмов, и сапрофагов, использующих в пищу органическое вещество. Главную массу почвенных животных составляют сапрофаги (нематоды, дождевые черви и др.). На 1 га
почвы приходится более 1 млн. простейших, на 1 м — десятки червей, нематод и других сапрофагов. Огромная масса сапрофагов, поедая мертвые растительные остатки, выбрасывает в почву экскременты. Согласно подсчетам Ч.
Дарвина, почвенная масса в течение нескольких лет полностью проходит через пищеварительный тракт червей. Сапрофаги влияют на формирование
почвенного профиля, содержание гумуса, структуру почвы.
Самыми многочисленными представителями наземного животного мира, участвующими в почвообразовании, являются мелкие грызуны (мышиполевки и др.).
Растительные и животные остатки, попадая в почву, подвергаются
сложным изменениям. Определенная их часть распадается до углекислоты,
воды и простых солей (процесс минерализации), другие переходят в новые
сложные органические вещества самой почвы.
Микроорганизмы
61
Огромное значение в осуществлении этих процессов в почве имеют
микроорганизмы (бактерии, актиномицеты, низшие грибы, одноклеточные
водоросли, вирусы и др.), весьма разнообразные как по своему составу, так и
по биологической деятельности. Микроорганизмы в почве исчисляются миллиардами на 1 га. Они принимают участие в биотическом круговороте веществ, разлагают сложные органические и минеральные вещества на более
простые. Последние утилизируются как самими микроорганизмами, так и
высшими растениями. Органическое вещество почвы, образовавшееся в ней
при разной степени разложения растительных и животных остатков, получило название гумус или перегной.
Климат
К числу важнейших факторов почвообразования относится климат. С
ним связаны тепловой и водяной режимы почвы, от которых зависят биологические и физико-химические почвенные процессы. Под тепловым режимом
понимают совокупность процессов теплообмена в системе «приземный слой
воздуха — почва — почвообразующая порода». Тепловой режим обуславливает процессы переноса и аккумуляции тепла в почве. Характер теплового
режима определяется главным образом соотношением поглощения радиационной (лучистой) энергии Солнца и теплового излучения почвы. Он зависит
от окраски почвы, характера поверхности, теплоемкости, влажности и других
факторов. Заметное влияние на тепловой режим почвы оказывает растительность.
Водный режим
Водный режим почвы в основном определяется количеством атмосферных осадков и испаряемостью, распределением осадков в течение года,
62
их формой (при ливневых дождях вода не успевает проникнуть в почву, стекает в виде поверхностного стока).
Климатические условия
Климатические условия оказывают косвенное влияние и на такие факторы почвообразования, как почвообразующие породы, растительный и животный мир и др. С климатом связано распространение основных типов почв.
Рельеф
Рельеф — один из факторов перераспределения по земной поверхности
тепла и воды. С изменением высоты местности меняются водный и тепловой
режимы почвы. Рельефом обусловлена поясность почвенного покрова в горах. С особенностями рельефа связан характер влияния на почву грунтовых,
талых и дождевых вод, миграция водорастворимых веществ.
Время
К числу факторов почвообразования относится время — необходимое
условие для любого процесса в природе. Абсолютный возраст почв Восточно-европейской равнины, Западной Сибири, Северной Америки и Западной
Европы, определенный радиоуглеродным методом, — от нескольких сотен
до нескольких тысяч лет. Наконец, существенным фактором почвообразования, особенно в последнее время, является хозяйственная деятельность человека.
3.
Понятие геохимического барьера
Как и в биосфере в целом, в пределах отдельных ландшафтов и в их
группах, составленных по определенным признакам, практически непрерывно идет перемещение атомов химических элементов, часто с изменением
форм их нахождения. Другими словами, идут процессы миграции. Однако их
63
интенсивность в разных участках биосферы может весьма различаться. Само
же перемещение, как правило, можно ограничить в пространстве, выделив
своеобразный миграционный поток.
Участки биосферы (и даже земной коры), на которых в миграционном
потоке на коротком (по сравнению с его протяженностью) расстоянии резко
уменьшается интенсивность миграции химических элементов и, как следствие этого процесса, повышается их концентрация, получили название геохимических барьеров. Этот термин был предложен в 1961 г. А.И. Перельманом. Им же были разработаны основы учения о геохимических барьерах, которое к настоящему времени стало одной из важнейших частей целого ряда
наук о Земле.
Геохимические барьеры - участки ландшафтной сферы, на которых
происходит резкое уменьшение интенсивности миграции и концентрация
химических элементов и соединений. С латеральными (боковыми) миграционными потоками и сменой на их пути геохимической обстановки связано
появление ландшафтно-геохимических барьеров, а с радиальными (вертикальными) потоками и контрастностью условий миграции в различных генетических горизонтах почв -- почвенно-геохимических барьеров. По форме
геохимические барьеры разделяются на линейные, приуроченные к границам
между элементарными ландшафтными ареалами, и площадные, имеющие
субгоризонтальное простирание. Размеры геохимических барьеров могут варьироваться от нескольких сантиметров до сотен и тысяч метров. Выделяют
следующие основные виды геохимических барьеров: механические -- участки резкого изменения скорости движения миграционных водных потоков или
ветра, на которых происходит накопление химических элементов и соединений, передвигающихся в виде обломочных частиц различного размера; физико-химические -- возникающие на участках резкого изменения окислительновосстановительных и/или щелочно-кислотных характеристик природных вод
(среди них выделяют кислородный, сульфатный, карбонатный, испаритель-
64
ный и др.); биологические -- приурочены к местам накопления химических
элементов и соединений за счет жизнедеятельности различных организмов.
В природе встречаются как отдельные виды геохимических барьеров,
так и их разнообразные сочетания. Каждая разновидность геохимического
барьера обладает способностью концентрировать лишь определенную ассоциацию мигрирующих веществ (например, на карбонатном геохимическом
барьере теряют подвижность ионы Ca, Sr, Ba; на испарительном -- ионы Li,
Na, Mg, Ca, U и т.п.). Детальное изучение геохимических барьеров является
одной из основных задач геохимии ландшафта в связи с огромной практической значимостью, так как концентрации отдельных элементов на геохимические барьеры могут достигать значимых в промышленном отношении величин, а также иметь экологические последствия. Геохимические барьеры
выполняют функцию природных "фильтров", сильно снижающих миграционную способность большинства загрязнителей и способствующих их фиксации и различению. Более того, теория геохимических барьеров служит основой для научного обоснования создания искусственных геохимических барьеров (техногенные геохимические барьеры), ограничивающих или полностью исключающих распространение химических загрязнителей.
4.
Общая характеристика загрязнения почв
Под загрязнением почв понимают увеличение концентраций содержащихся в почве веществ выше предельно допустимого уровня, а также появление в почвах любых количеств несвойственных им веществ, признанных
вредными. Различают шесть степеней загрязнения почв (0-5) по признаку
снижения их продуктивности, количества производимой биомассы, а по видам загрязнений различают четыре класса веществ-загрязнителей: физические, химические, биологические и радиоактивные.
65
Загрязнения почвы трудно классифицируются, в разных источниках их
деление даётся по-разному. Если обобщить и выделить главное, то наблюдается следующая картина по загрязнению почвы:
1) Мусором, выбросами, отвалами, отстойными породами. В эту группу
входят различные по характеру загрязнения смешанного характера, включающие как твёрдые, так и жидкие вещества, не слишком вредные для организма человека, но засоряющие поверхность почвы, затрудняющие рост растений на этой площади.
2) Тяжёлыми металлами. Данный вид загрязнений уже представляет
значительную опасность для человека и других живых организмов, так как
тяжёлые металлы нередко обладают высокой токсичностью и способностью
к кумуляции в организме. Наиболее распространённое автомобильное топливо - бензин - содержит очень ядовитое соединение - тетраэтилсвинец, содержащее тяжёлый металл свинец, который попадает в почву. Из других тяжёлых металлов, соединения которых загрязняют почву, можно назвать Cd
(кадмий), Cu (медь), Cr (хром), Ni (никель), Co (кобальт), Hg (ртуть), As
(мышьяк), Mn (марганец).
3) Пестицидами. Эти химические вещества в настоящее время широко
используются в качестве средств борьбы с вредителями культурных растений
и поэтому могут находиться в почве в значительных количествах. По своей
опасности для животных и человека они приближаются к предыдущей группе. Именно по этой причине был запрещён для использования препарат ДДТ
(дихлор-дифенил-трихлорметилметан), который является не только высокотоксичным соединением, но, также, он обладает значительной химической
стойкостью, не разлагаясь в течение десятков (!) лет. Следы ДДТ были обнаружены исследователями даже в Антарктиде! Пестициды губительно действуют на почвенную микрофлору: бактерии, актиномицеты, грибы, водоросли.
66
4) Микотоксинами. Данные загрязнения не являются антропогенными,
потому что они выделяются некоторыми грибами, однако, по своей вредности для организма они стоят в одном ряду с перечисленными загрязнениями
почвы.
5) Радиоактивными веществами. Радиоактивные соединения стоят несколько обособленно по своей опасности, прежде всего потому, что по своим
химическим свойствам они практически не отличаются от аналогичных не
радиоактивных элементов и легко проникают во все живые организмы,
встраиваясь в пищевые цепочки. Из радиоактивных изотопов можно отметить в качестве примера один наиболее опасный - 90Sr (стронций-90). Данный радиоактивный изотоп имеет высокий выход при ядерном делении (2 8%), большой период полураспада (28,4 года), химическое сродство с кальцием, а, значит, способность откладываться в костных тканях животных и
человека, относительно высокую подвижность в почве. Совокупность вышеназванных качеств делают его весьма опасным радионуклидом. 137Cs (цезий-137), 144Ce (церий-144) и 36Cl (хлор-36) также являются опасными радиоактивными изотопами.
Хотя существуют природные источники загрязнений радиоактивными
соединениями, но основная масса наиболее активных изотопов с небольшим
периодом полураспада попадает в окружающую среду антропогенным путём:
в процессе производства и испытаний ядерного оружия, из атомных электростанций, особенно в виде отходов и при авариях, при производстве и использовании приборов, содержащих радиоактивные изотопы и. т. д.
Лекция 5
V. Основы рационального природопользования.
1.
Рациональное использование природных ресурсов
67
2.
Промышленная безопасность опасных производственных объектов.
3.
Экологические проблемы агропромышленного комплекса.
4.
Влияние транспорта на окружающую среду.
1. Рациональное использование природных ресурсов
Понятие экосистемы является определяющим в экологии. Экосистему
образуют совокупность живых организмов и неживой среды обитания. Термин предложен английским экологом А. Тенсли (1935г). Экосистема – это
совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их
существования, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом.
Выделяют микроэкосистемы (например, ствол гниющего дерева), мезоэкосистемы (лес, пруд, озеро, и др.), макроэкосистемы (континент, океан) и, наконец, глобальная экосистема (биосфера Земли).
Ю. Одум (1986) выделяет три группы природных экосистем: наземные
(биомы), пресноводные и морские.
В основе классификации лежат определенные признаки: для наземных
– тип растительности, для пресноводных – физические свойства воды и др.
Наземные экосистемы – это тундра, тайга, степи, пустыни и т.п.
Пресноводные экосистемы – лентические (стоячие воды): озера, пруды,
водохранилища и др., лотические или текущие воды (реки, ручьи) и заболоченные угодья (болота и болотистые леса).
Морские экосистемы – открытый океан, воды континентального шельфа, районы эстуарии (бухты, устья рек, лиманы), а также недавно открытая
экосистема глубоководных рифтовых зон Мирового океана, характеризующаяся высокой биомассой живых организмов.
68
Термин «природопользование» является одним из распространенных в
современной литературе. Природопользование – теория и практика рационального использования человеком природных ресурсов; сфера общественно-производственной деятельности, направленной на удовлетворение потребностей человечества в качестве и разнообразии окружающей среды, на
улучшение использования естественных ресурсов биосферы. Выделяют два
типа природопользования: рациональное и нерациональное. Последнее, как
правило, ведет к исчерпанию природных ресурсов, подрыву восстановительных сил биосферы, снижению оздоровительных и эстетических качеств, т.е.
это система деятельности, не обеспечивающая сохранения природноресурсного потенциала природы.
Рациональное природопользование – это система деятельности, призванное обеспечить экономное использование природных ресурсов и их воспроизводства с учетом перспективных интересов развивающегося народного
хозяйства и сохранения здоровья людей. Основные принципы рационального
природопользования показаны на рис. 1.3.
Природопользование принимает различные формы в зависимости от
типов природных ресурсов: расходуемых (энергетические, сырьевые, пищевые, генофонд) и ресурсов среды (условия труда, отдыха, здоровья). В понятие о рациональном освоении природных ресурсов и условий входит наиболее полное использование достоинств среды и экономичное получение энергии, сырья; целенаправленное преобразование рассчитано на умножение и
обогащение природных ресурсов и на улучшение природных условий. Так,
при использовании исчерпаемых и при этом невозобновимых (минеральных)
ресурсов важны комплексность и экономичность добычи, сокращение отходов и т.п. Охрана ресурсов среды означает поддержание их качеств, благоприятных для ведения хозяйства, а преобразование – их улучшение (мелиорация, рекультивация земель и др.).
69
2.
Промышленная безопасность опасных производственных
объектов.
Промышленная безопасность опасных производственных объектов
(далее – промышленная безопасность) – состояние защищённости жизненно важных интересов личности и общества от аварий на опасных производственных объектах и последствий указанных аварий.
Авария – разрушение сооружений и (или) технических устройств,
применяемых на опасном производственном объекте, неконтролируемые
взрыв и (или) выброс опасных веществ.
Требования промышленной безопасности должны соответствовать
нормам в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, санитарно-эпидемиологического благополучия населения, охраны
окружающей природной среды, экологической безопасности, пожарной безопасности, охраны труда, строительства, а так же требованиям государственных стандартов.
В настоящее время действующие на многих предприятиях России и
предприятиях зарубежных стран системы управления не обеспечивают соблюдение правил безопасности и не исключают аварийность и травматизм на
производстве.
Неудовлетворительное состояние безопасности промышленных производств и высокая аварийность во многом связаны со старением технологий и
оборудования, с обостряющимся несоответствием организации управления
промышленной безопасностью темпам научно-технического прогресса. Такое положение обусловлено не столько технологической спецификой отраслей промышленности, сколько общими тенденциями и условиями их развития.
Крупные аварии происходят в основном из-за эксплуатации недопустимо изношенного оборудования, некачественного и несвоевременного выполнения работ по его обслуживанию и ремонту. В ряде случаев причинами
70
аварий становятся непродуманные проектные и технические решения. Не соответствует высокой степени опасности современных производств крайне
низкая и трудовая технологическая дисциплина, что выражается в нарушениях технологических и требований промышленной безопасности. Не всегда
эффективно осуществляется подготовка и переподготовка специалистов и
кадров для опасных производственных объектов. Явно недостаточна роль в
науке в области обеспечения промышленной безопасности.
В последние годы всё большее беспокойство специалистов и общественности вызывает обеспечение безопасности нефтеперерабатывающего
производства и соответственно влияние его на окружающую среду и здоровье населения, что обусловлено объективными причинами: концентрацией
химических энергоносителей, нефти, нефтепродуктов, способностью их гореть, взрываться и загрязнять вредными выбросами атмосферу, наличием потенциальных опасностей, которые могут вызывать материальные и людские
потери.
Для нефтеперерабатывающих заводов в мировой практике разработана
методология комплексного подхода к решению проблемы повышения безопасности предприятия.
Этапы комплексного подхода:
 анализ опасности и оценка риска современного нефтеперерабатывающего завода;
 разработка и внедрение системы мониторинга окружающей среды,
основные задачи которого – слежение за качеством окружающей
среды, предупреждение возможных аварийных ситуаций и оперативное принятие мер по их устранению;
 совершенствование автоматизированной системы управления предприятием, технологическими процессами и разработка на базе выполненных исследований системы управления промышленной безопасностью завода.
71
Для предприятий химического комплекса характерно образование специфических отходов и стоков, таких как фосфогипс, отработанные катализаторы, отходы производства химических волокон и нитей, отходы с органическими, в том числе с хлорорганическими соединениями, металлосодержащие шламы, гудрон, отходы нефтепродуктов, шламы и стоки производства кальцинированной соды, сульфатные и кислые стоки, надсмольные
воды производства фенилоформальдегидных смол и др.
Вредные вещества, содержащиеся в отходах и стоках, весьма
разнообразны по токсичности, характеризующей опасность для живых организмов и человека, и своим физико-химическим свойствам. Эти свойства
определяют формы состояния веществ и их распространения в различных
условиях и природных средах.
В отечественной и мировой практике известен такой способ размещения промышленных отходов и стоков:
закачка жидких отходов в подземные горизонты (США, ФРГ, Япония,
Канада, Россия) – однако, в виду отсутствия гарантий безопасности подземного захоронения отходов, предпринимаются попытки к запрещению таких
работ;
расположение жидких и твёрдых отходов в водоёмах естественного
происхождения и сброс на рельеф без возведения специальных сооружений.
Этот способ приводит к экологическим катастрофам, делает обширные акватории и прилегающие к ним территории малопригодными или полностью
непригодными для активной деятельности человека;
размещение отходов в специальных накопителях; водохранилищах,
шламонакопителях, прудах, отстойниках и т.п. – этот способ наиболее распространён, управляем и принят во всём мире для складирования отходов.
Обеспечение безопасной эксплуатации хранилищ отходов – одна из
важнейших задач. В их состав входят различные гидротехнические сооружения (ГТС): ограждающие дамбы, пруды техногенных вод, дренажные и противофильтрационные конструкции и пр.
72
Для обеспечения безопасной эксплуатации накопителей отходов и
снижения риска возникновения техногенных аварий и катастроф, владельцам
ГТС и накопителей отходов – необходимо:
1.Выполнить экспертную оценку их состояния с разработкой первоочередных и перспективных противоаварийных мероприятий.
2.Разработать и реализовать систему мониторинга хранилищ с учётом
конкретных природно-технических условий.
3.Разработать декларацию безопасности этих объектов с анализом риска возникновения аварийных ситуаций.
Выполнение всех перечисленных пунктов позволит обеспечить длительную, безопасную эксплуатацию хранилищ промышленных отходов, снизить риск техногенных катастроф на предприятиях химического комплекса.
Металлургическая промышленность, являясь носителем огромных
энергий и единичных мощностей, относится к отраслям промышленного
риска. Аварии, происходящие на металлургических объектах, часто сопровождаются большим числом пострадавших и высоким уровнем материальных потерь.
Актуальная проблема промышленной безопасности в металлургии –
выявление взаимосвязей технологических параметров безопасности с учётом
непрерывности циклов рабочих операций и основных факторов, влияющих
на рассогласование операционных параметров, для дальнейшего построения
системы технологических, организационных и управленческих решений,
разрешающих проблему промышленной безопасности.
Решение этой проблемы – в разработке методологии создания технических средств, повышающих промышленную безопасность на основе прогнозирования и упреждения риска.
Достижение поставленной цели реализуется:
выявлением основных факторов, влияющих на промышленную безопасность современных производств;
73
установлением типовых групп факторов, обусловливающих риск в металлургических процессах;
определением функциональных свойств технологических элементов,
порождающих источники опасности относительно социальных, экономических и производственных факторов риска.
В общем случае все факторы, влияющие на состояние промышленной
безопасности, можно объединить в три группы:
-
социальные – условия труда, социально–экономические, тех-
нические, естественно-природные;
-
экологические – вредные производственные и соответственно
физически, химически, биологически и психофизически опасные факторы,
а также санитарно-гигиенические;
-
производственно-технологические – надёжность, отказ, проч-
ность, запас прочности.
Определяющее условие задач промышленной безопасности – принципы упреждения риска, включающего не только опасное воздействие на окружающую среду, но и истощение, и нерациональное использование природных ресурсов, если рассматривать обеспечение промышленной безопасности
как социально-экономическую и организационно-производственную систему, независимо от конкретного вида производства.
3.
Экологические проблемы агропромышленного комплекса
Агропромышленный комплекс (АПК) является одним из наиболее
ощутимых факторов влияния на окружающую среду. Некоторые ученые отдают ему предпочтение по уровню антропогенной нагрузки. Это связано,
прежде всего, с территориальным расширением его звеньев, особенно сельскохозяйственного производства. Кроме того, процесс воспроизводства в
сельском хозяйстве тесно связан с природными процессами. В ХХ в. влияние
АПК на окружающую среду усилилось с интенсификацией сельского хозяйства, а именно: механизацией многих процессов, чрезмерной распаханностью
74
территории и глубокой вспашкой, механизацией и мелиорацией, высокой
концентрацией производства и т.д.
В.И. Вернадский назвал грунт “биокосным” телом, выделяя таким способом биологическую структуру, которая расположена между живой и неживой природой. В каждом грамме грунта – около 100 млн. микроорганизмов. В
грунте непрерывно происходят процессы обмена, осуществляется один из
наиболее сложных процессов – кругооборота веществ. 1 см гумуса – плодородной части грунта – формируется на протяжении почти 100 лет.
Процесс механизации сельскохозяйственных работ, который интенсивно происходил в ХХ веке, негативно сказался на качестве грунта, его плодородии.
Это приводит к переуплотнению пахотного и подпахотного горизонтов. В колее прохождения тракторов и другой техники плотность грунта увеличивается на 0,2-0,38 г/см3 – в пахотных землях и в подпахотных – на 0,050,20 г/см3, сохраняясь в течение всего вегетационного периода. Из-за этого
нарушаются водный и воздушный режимы, режим питания грунта, разрушается его структура, тяжелеет механический состав, в 2–10 раз уменьшается
водопроницаемость грунта. Это приводит к увеличению поверхностного стока, уменьшению плодородия, а значит, и урожая, на 10–30 %. Решить проблему переуплотнения грунтов можно только комплексно: модернизацией
техники, уменьшением давления на грунт колесных и гусеничных тракторов,
уменьшением числа прохождения техники по полю.
Одним из направлений интенсификации сельскохозяйственного производства является химизация, предусматривающая внесение в грунт как химических удобрений, так и пестицидов. Этот процесс активно происходил во
всех развитых странах мира. Внесение химических удобрений обусловлено
тем, что ежегодно вместе с урожаем из грунта выносятся десятки миллионов
тонн полезных веществ: азота, калия, фосфора и др., а поэтому внесение ор75
ганических и минеральных удобрений является одним из главных способов
повышения плодородия земель.
Необходимость применения пестицидов – химического способа защиты растений от действия бурьянов, вредных насекомых, грибковых заболеваний – вызывается массовыми вспышками различных вредителей: сельскохозяйственному производству причиняют убытки около 8 тыс. грибков, 10 тыс.
насекомых, 2 тыс. червей.
Пестициды по способу воздействия на вредителей делятся на:
- гербициды – средство уничтожения бурьянов;
- инсектициды – средство борьбы с вредными насекомыми;
- нематоциды – средство уничтожения червей;
- фунгициды – средство борьбы с грибковыми и вирусными заболеваниями;
- бактерициды – средство уничтожения возбудителей болезней;
- дефолианты – способы уничтожения листвы.
К классу пестицидов относятся и химические вещества которые ускоряют или уменьшают рост некоторых растений. В Украине продолжительное
время вносили в почву около 2 кг пестицидов ( в мире – 300 г). Всего применяется до 90 наименований препаратов. Из них 50% приходится на протравливание посевного материала, 22% - инсектициды, остальное – гербициды и
дефолианты. Наибольшее их количество вносилось в Крыму и Одесской области – в районах рисосеяния и концентрации виноградников и садов.
Применение минеральных удобрений и пестицидов позволяет увеличить урожай, но имеет негативные экологические последствия:
76
1) накапливаясь в растениях, они пищевыми цепями попадают в организм человека;
2) загрязняются подземные и поверхностные воды;
3) умирает флора и фауна;
4. Влияние транспорта на окружающую среду
Транспорт как отрасль народного хозяйства – один из мощнейших факторов антропогенного влияния на окружающую среду. Некоторые виды этого
влияния, прежде всего загрязнение воздуха и повышение уровня шума, относятся к самым серьезным техногенным нагрузкам на компоненты окружающей среды отдельных регионов, особенно больших городов.
Транспорт предопределяет ряд проблем, которые условно можно объединить в несколько групп (по основным направлениям взаимодействия с
окружающей средой):
1) транспорт – большой потребитель топлива;
2) транспорт – источник загрязнения окружающей среды;
3) транспорт – один из источников шума;
4) транспорт изымает сельскохозяйственные угодья под дороги и стационарные сооружения;
5) транспорт является причиной травм и смерти людей и животных.
Наибольшим загрязнителем окружающей среды является автомобильный транспорт. Современный автомобиль выбрасывает свыше 200 токсических веществ – среди них окислы углерода, серы, азота, свинца и его соединений и т.п.
77
Выхлопные газы автомобиля выделяются в непосредственной близости
от пешехода. При экстремальной погоде (туман, низкая облачность) в отдельных районах города может образовываться фотохимический смог.
Загрязнение города выбросами автомобильного транспорта – одна из
причин повышения заболеваемости населения.
Зона наибольшего загрязнения тяжелыми металлами представляет собой полосу шириной до 10 м. Растительность около дороги может загрязняться тяжелыми металлами, которые попадают прямо в грунт, так и через
непосредственное оседание аэрозолей, сажи, пыли на поверхность растений.
Водный транспорт (речной и морской) служит источником загрязнения
бассейнов рек, Черного и Азовского морей. Загрязнение осуществляется в результате аварий или потери грузов, во время грузовых работ в портах, а также за сбрасывание отходов с судов.
Шум, возникающий от транспортных средств: автомобиля, поезда, самолета, является серьезной проблемой в больших городах многих регионов.
Шум ослабляет память и реакцию, нарушает нормальный отдых и сон. Он
вызывает головную , ослабление слуха, бессонницу, а в больших дозах – даже глухоту, серьезные расстройства в работе человеческого организма.
Лекция 6
IV. Антропогенное воздействие на биосферу, связанное с получением продуктов питания.
I.
Применение удобрений для поддержания плодородия почв.
2.
Применение химических средств защиты растений в борьбе за
повышение урожайности.
3.
Отрицательные экологические последствия применения удобре-
ний.
78
4.
Отрицательные экологические последствия использования пе-
стицидов в сельском хозяйстве.
5.
Классификация пестицидов по объектам воздействия и типу хи-
мических соединений.
1. Применение удобрений для поддержания плодородия почв
Для поддержания плодородия почвы и повышения урожайности сельскохозяйственных культур большое значение имеет внесение удобрений, которые содержат необходимые для роста и развития растений питательные
вещества.
Органические удобрения—продукт растительного и животного происхождения. К органическим удобрениям относятся: навоз, навозная жижа, фекалии, торф, торфонавозные компосты, птичий помет, Домовой мусор, ил,
листья различных деревьев.
Навоз содержит все необходимые для растений элементы питания:
азот, фосфор, калий, кальций, а также микроэлементы. Он обогащает почву
перегноем, улучшает ее структуру и физические свойства. Кроме того, с
навозом вносятся в большом количестве полезные микроорганизмы, которые
переводят недоступные для питания растений органические вещества в доступную форму. Навоз — лучшее удобрение для всех сельскохозяйственных
культур. Обычная норма внесения —2—3 кг на 1 м2.
Торф — весьма доступное в Нечерноземной полосе удобрение. Различают торф верховой, низинный и переходный. Верховой торф обычно обладает повышенной кислотностью и содержит около 1% азота. После предварительного проветривания (в течение 5—6 мес.) его используют для приготовления компостов.
Низинный торф (луговой) имеет слабокислую или нейтральную реакцию, богат зольными элементами и содержит до 4% азота. Его можно использовать как удобрение без компостирования, но предварительно провет79
рив и добавив не менее 2% извести. Такой торф применяют для улучшения
физических свойств легких песчаных и тяжелых глинистых почв.
Зеленые удобрения. Сущность этого удобрения заключается в том, что
на участке высевают наиболее приспособленные к местным условиям травы
и в период образования максимального количества зеленой массы ее запахивают. Это обогащает почву органическим веществом (гумусом) и улучшает
ее структуру.
Компост — исключительно ценное органическое удобрение, приготавливаемое из остатков растительного и животного происхождения путем частичногоразложения их в кучах. Правильно приготовленный компост содержит все необходимые растениям питательные вещества, включая микроэлементы, а также полезные микробы.
Компостировать—значит смешивать. Поэтому и «компост» означает
смешанное удобрение, составленное из различных органических удобрений.
Минеральные удобрения обогащают почву питательными веществами,
но, в отличие от органических, не обеспечивают образование в почве гумуса
(перегноя), во многом определяющего плодородие почвы. Длительное внесение одних минеральных удобрений может привести к снижению количества
гумуса и ухудшению ее физических свойств. Нужно совместно применять
органические и минеральные удобрения.
При использовании химических удобрений необходимо придерживаться следующих основных правил: – не применять удобрений больше, чем рекомендовано; – не допускать, чтобы минеральные удобрения контактировали
с листьями и другими надземными частями растений; – жидкие минеральные
удобрения (растворы) нельзя вносить в сухую почву, ее нужно сначала хорошо полить, иначе произойдет ожог корней; – не заделывать удобрения
слишком глубоко в почву, поскольку они уйдут в грунтовые воды, загрязняя
их; – не рассыпать гранулированные удобрения по поверхности почвы в
надежде на то, что они впитаются в землю с дождями. Скорее всего, ими могут отравиться птицы и животные; – вносить азотные удобрения небольшими
80
порциями; – прекращать любые подкормки за 4—10 недель до уборки урожая для того, чтобы как можно больше неорганического азота (нитраты, нитриты) перешло в его безвредные органические формы.
Минеральные удобрения содержат высокий процент питательных веществ. В зависимости от содержания питательных веществ их делят на простые и сложные, или смешанные. Простые содержат только один из необходимых растениям питательный элемент. Но так как растения нуждаются не в
одном, а в нескольких питательных элементах и ни один из них не может
быть заменен другим, поэтому простые удобрения, как правило, вносят в сочетании друг с другом. Смешанные удобрения содержат два-три и более питательных элементов.
Дозы внесения минеральных удобрений обычно вычисляются на действующее (питательное) вещество: азотные — на азот (N), фосфорные — на
фосфорную кислоту (Р205), калийные — на окись калия (К20).
2. Применение химических средств защиты растений в борьбе за
повышение урожайности.
Пестициды (от лат. pestis - яд и caedo - убиваю), химические средства,
используемые для борьбы с вредителями и болезнями растений, сорняками,
вредителями зерна и зернопродуктов, древесины, изделий из хлопка, шерсти,
кожи, с эктопаразитами домашних животных, а также с переносчиками опасных заболеваний человека и животных. В группу пестицидов включают также дефолианты и десиканты, облегчающие механизированную уборку урожая некоторых культур, регуляторы роста растений (ауксины, гиббереллины,
ретарданты), добавки к краскам против обрастания морских судов ракушками.
Пестициды относятся к различным классам органических и неорганических соединений. Большинство представляет собой органические вещества, получаемые синтетическим путём. Среди них важное место принадлежит хлорорганическим и фосфорорганическим пестицидам, производным
81
карбаминовой кислоты, пестицидам растительного происхождения, триазинам, производным мочевины. Из неорганических веществ важны соединения
меди, серы и др. Пестициды – основа химического метода защиты растений,
являющегося пока самым эффективным в борьбе с вредителями, болезнями и
сорняками; способствуют значительному сокращению потерь в сельском и
лесном хозяйстве, деревообрабатывающей промышленности.
По токсичности для человека и теплокровных животных пестициды
разделяют на 4 группы:
сильнодействующие,
высокотоксичные,
Среднетоксичные
малотоксичные.
ЛД50 (наименьшая доза вещества, вызывающая смертность 50% подопытных животных) для пестицидов этих групп равна соответственно до 50,
50-200, 200-1000 и свыше 1000 мг/кг. Такое деление носит условный характер, так как токсичность пестицидов для человека и животных зависит не
только от абсолютного значения смертельных доз препаратов, но и его
свойств: способности его накапливаться в организме и окружающей среде;
стойкости во внешней среде; бластомогенных свойств (способность вызывать опухоли), мутагенных (влияющих на наследственность), эмбриотоксичных (влияющих на развитие плода), тератогенных (вызывающих уродства),
аллергенных (обусловливающих извращённую повышенную чувствительность организма к пестицидам) и т.п.
Для уменьшения возможной опасности разработаны следующие требования к современным пестицидам:
1) низкая острая токсичность для человека, полезных животных и других объектов окружающей среды;
2) отсутствие отрицательных эффектов при длительном воздействии
малых доз, в том числе мутагенного, канцерогенного и тератогенного действия (тератогенный - повреждающий зародыш);
82
3) низкая персистентность (низкая устойчивость в окружающей среде
со временем разложения не более одного вегетационного периода).
3.
Отрицательные экологические последствия применения удобрений: накопление нитратов в растениях, подкисление, загрязнение почв
тяжелыми металлами и др.
В производящем хозяйстве важное место принадлежит сельскохозяйственному производству. В истории его развития можно выделить три этапа.
Первый – этап экстенсивного развития, который продолжался от V-IV тыс.
до н. э. до XVII столетия н. э. Второй этап интенсивного развития сельского
хозяйства – XVIII столетия до 1550 года, т. е. захватывает эпоху индустриализации. Третий – современный этап деструктивного развития сельскохозяйственного производства продолжается до настоящего времени.
Наиболее ценные в сельскохозяйственном отношении земли включают
пашню, залежи и многолетние насаждения. Из всех возделываемых земель
590 млн. га приходится на долю зерновых, дающих в год 1197,5 млн т зерна.
Несмотря на большую потребность в расширении посевных площадей,
освоения новых земель в отдельных регионах мира уже практически не приводит к увеличению мировой пашни. Во-первых, одновременно с распашкой
новых земель значительные площади пашни выбывают из хозяйственного
использования из-за разных форм детириорации, т. е. порчи земли. Значительные затраты на мелиорацию часто уже не могут остановить этот процесс.
Основными причинами утраты части земельных ресурсов сельского хозяйства являются:
·
Эрозия почвы – смыв или сдувание поверхностного, наиболее
плодородного слоя почвы водой и ветром;
·
Потеря гумуса и снижение плодородия вследствие неправиль-
ной агротехники, в основном из-за отсутствия севооборотов и недостаточного возвращения в почву питательных веществ;
83
·
Подтопление и вторичное засоление почвы, вызываемое
бездренажным орошением и неконтролируемой подачей воды;
·
Машинная деградация почвы (переуплотнение, нарушение
структуры пахотного слоя, смешивание его с подстилающей породой и т. п.);
·
Химическое и радиационное загрязнение почвы.
Одним из наиболее серьезных проявлений деградации земель является
«техногенное опустынивание», вызванное деятельностью человека и изменениями климата. Большая площадь современных пустынь имеет антропогенное происхождение. От деградации почвы уже пострадали 70% засушливых
земель планеты (3,6 млрд га) – территория которая по площади в три раза
больше Европы.
Отрицательное влияние на почву оказывают отходы промышленных
предприятий, выхлопные газы автотранспорта, шахтные воды, отходы
нефтепромыслов. Поэтому борьба с выбросами промышленных предприятий
является одновременно борьбой за сохранение плодородия почв. Технология
производственных процессов должна быть построена так, чтобы исключить
попадание вредных отходов, остатков и загрязнений в почву.
Загрязнение почв чужеродными химическими веществами наносит им
большой ущерб. Для борьбы с вредителями сельскохозяйственных растений
и с сорняками широко применяют разнообразные ядохимикаты: пестициды,
инсектициды, гербициды, дефолианты. Пестициды и продукты их естественных превращений вредны для личинок таких необходимых в природе животных, как насекомые-опылители и насекомые-энтомофаги, насекомоядные,
хищные, для промысловых птиц и млекопитающих.
Другая проблема – правильное использование химических удобрений.
Неправильный подбор минеральных удобрений может вызывать избыточное
подщелачивание или подкисление почвы. Существенным фактором загрязнения среды является химизация сельского хозяйства. Даже минеральные
удобрения при неправильном их применении способны наносить экологический ущерб при сомнительном экономическом эффекте. Высокие дозы азот84
ных удобрений являются одной из причин накопления в растениях нитратов.
Сами по себе они не очень токсичны. Но при употреблении растительных
продуктов в пищу содержащиеся в них нитраты под действием микрофлоры
кишечника восстанавливаются в нитриты, которые во много раз токсичнее.
4. Экологические последствия применения пестицидов
Достаточно отметить, что только около 1% вносимых в среду ядов
имеет непосредственный контакт с теми видами организмов, против которых
они применяются. Остальная их масса попадает в различные звенья среды и
небезразлична для их обитателей. Экологическая вредность пестицидов зависит в основном от их ядовитости, продолжительности жизни, способности
избирательно действовать на отдельные организмы и трансформаций в среде.
Пестициды способны проникать в растения из загрязненной почвы через корневую систему, накапливаться в биомассе и впоследствии заражать
пищевую цепь.
Имеются данные, что печально известный ДДТ (дихлорфенилтрихлорэтан), под действием ультрафиолетового излучения превращается в другой
стойкий и ядовитый углеводород – полихлорированный бифенил (ПХБ). Последний, как и сам ДДТ, имеет значительный срок жизни, накапливается в
цепях питания, поражает репродуктивные и другие структуры.
Пестициды хотя и обладают избирательным действием на организмы,
но эта избирательность относительна. Практически нет пестицидов, которые
в той или иной мере не поражали другие организмы, особенно близкие в систематическом отношении. Тем более что очень часто концентрация пестицидов в цепях питания увеличивается в силу биоаккумулирующего эффекта.
Парадоксальный результат использование пестицидов появляется и в
том, что увеличение объемов их применения не избавляет от потерь продукции. Сохраняет свой смысл выражение «человек получает от сельского хозяйства лишь то, что ему соизволили оставить вредители».
85
Сказанное, однако, не значит, что надо либо полностью отказаться от
пестицидов, либо постоянно увеличивать объемы их применения.
Пестициды, причиняющие минимальный вред среде и экосистемам
(например, с коротким сроком жизни), целесообразно применять только в тех
случаях, когда другие методы не позволяют достичь поставленной цели.
Например, для снятия «вспышек численности» нежелательных видов. В других случаях надо использовать более мягкие методы. Их обычно называют
«безпестицидные технологии», «биотехнологии», «биологические меры
борьбы с вредителями» и т. п.
Новая стратегия защиты сельскохозяйственных культур должна, повидимому, исходить не из идеи уничтожения неугодных нам форм жизни, а
из идеи контролируемого сосуществования с ними и сдерживания численности агрессивных видов, что предполагает сохранение биоразнообразия и все
более широкое применение биологических способов борьбы с вредителями.
5.
Классификация пестицидов по объектам воздействия и типу
химических соединений.
Тот факт, что пестициды можно применять на пользу человеку, известен очень давно, пестициды использовали еще в войсках Александра Македонского для борьбы с паразитами человека (порошок долматской ромашки).
Пестициды так же широко применяют в здравоохранении, для борьбы с переносчиками заболеваний, таких как малярия и чума, так же эти препараты
используются как дезинфицирующие средства.
Пестициды в промышленности, нашли свое применение в качестве
защиты для неметаллических материалов (полимеров, древесины), для защиты труб от коррозии и т.п.
86
Пестициды имеют несколько классификаций, их можно различать по
объектам применения, по способам проникновения в организм вредителя, а
так же существует химическая классификация. В качестве пестицидов используется широкий спектр препаратов, из различных классов химических
соединений. Пестициды, относящиеся к одному и тому же классу и имеющие
похожую структуру и механизм воздействия, могут кардинально отличаться
по степени активности и токсикологическим свойствам.
Пестициды также подразделяются на группы по объектам применения:

Инсектициды - уничтожают насекомых - вредителей;

Фунгициды - уничтожают патогенные грибы;

Гербициды - уничтожают сорняки;

Зооциды - борются с вредными теплокровными позвоночными;

Акарициды - уничтожают клещей;

Регуляторы роста растений - влияют на рост и развитие растений;

Родентициды - уничтожают грызунов (вещества для борьбы с грызунами называются родентицидами, а только с крысами - ратицидами);

Бактерициды - уничтожаю бактерии;

Нематициды - применяются против нематод (круглые черви);

Моллюскоциды - уничтожают вредных моллюсков;

Лимациды - вещества применяемые в борьбе с голыми слизнями;

Антифидинги - отпугивают насекомых от растений, которыми они питаются.
Существует так же классификация пестицидов по способам проникно-
вения в организм вредителя:

Контактные пестициды - уничтожают вредителя, при непосредственном контакте с ним;

Кишечные пестициды - борются с вредителями, проникая к ним в организм через органы питания, и отравляют его, проникая в желудок;
87

Системные пестициды - обладают способностью передвигаться по сосудистой системе растений, делая их непригодными для поедания
насекомыми;

Фумиганты - отравляют организм вредителя, проникая в него через органы дыхания;
Чаще всего, пестициды это яды, отравляющие организм вредителя, но к
этим препаратам относят и стерилизаторы (препараты вызывающие бесплодие) и ингибиторы роста (вещества способные стимулировать или подавлять
рост растений).
Существуют также пестициды комплексного действия, в которых одновременно могут содержаться фунгициды, бактерициды, инсектициды и т.
д. Иногда пестициды классифицируют на группы по фазе развития вредителя, на которого они воздействуют, так например овициды - яды, убивающие
яйца насекомых, клещей; ларвициды - уничтожающие личинок и т.д.
Основное и самое широкое свое применение пестициды нашли в сельском хозяйстве, хотя их используют для защиты домашних животных и человека от переносчиков опасных заболеваний, обработки зернохранилищ и
других запасов продовольствия. А также пестициды применяют при защитной обработке древесины, для предохранения ее от вредителей в качестве
добавки к краскам, против обрастания морских судов.
Важно отметить классификацию пестицидов, по времени, которое требуется, для того чтобы пестицид полностью разложился в почве:
1. Период распада длится более 18 месяцев;
2. Период распада длится около 12 месяцев;
3. Период распада длится до 6 месяцев;
88
4. Период распада длится до 3 месяцев;
5. Период распада длится менее 3 месяцев.
В сельском хозяйстве, при выборе пестицида, важнейшим фактором
является именно время, за которое он полностью разлагается в почве, предпочтительнее выбирать препараты способные полностью разложиться за вегетативный период. Для обработки аэродромов и дорог, выбираются пестициды с большой продолжительностью воздействия.
Еще одна классификация относится к разделению пестицидов по уровню токсичности для теплокровных животных и человека:

Сильнодействующие;

Высокотоксичные;

Среднетоксичные;

Малотоксичные.
При неправильном применении пестициды способны значительно сни-
зить урожайность, это происходит, вследствие завышения концентрации
препаратов, ошибке в сроках и способах их применения (без учета внешних
факторов). Последствиями таких действия становятся ожоги растений, снижение репродуктивных функций культурных растений, возможно также загрязнение растений пестицидами, и их накопление на поверхностных тканях
культуры, что может быть опасно как для людей, так и для животных.
Необходимо также учитывать способность вредителей вырабатывать
устойчивость к пестицидам, это происходит при постоянном использовании
одно и того же препарата. Чтобы избежать таких последствий применения
пестицидов, необходимо регулярно чередовать препараты одного и того же
назначения.
89
Отрицательное воздействие пестицидов на природу широко известно и
всесторонне изучено, такие последствия имеет неправильное применение
препаратов, без учета их влияния на биологические процессы в целом. Пестициды могут отрицательно повлиять на человека, птиц, домашних животных и диких зверей, на насекомых опыляющих растения, а при попадании в
водоем и на рыб. Поэтому очень важно строго следовать инструкции, и учитывать воздействие препаратов не только на вредителей, но и на окружающую среду. Контроль необходим на всех стадиях обработки пищевых продуктов, и при уборке урожая, хранении и транспортировке.
Можно с уверенностью сказать, что пестициды - это важнейший элемент химического метода защиты растений от вредителей болезней и сорняков. На сегодняшний день, этот метод является самым эффективным благодаря ему удается значительно сократить затраты и потери в сельском и лесном хозяйстве, а также в деревообрабатывающей промышленности.
Применение пестицидов дало толчок к развитию сельского хозяйства
во всем мире, ведь затраты на них, окупаются во много раз, а эффективность
с каждым годом растет, так же, как и безопасность для окружающей среды.
Важнейшими современными формами применения пестицидов являются:
1) порошки (дусты) для опыливания или опудривания;
2) гранулированные (или микрогранулнрованные) препараты для обработки растений и внесения в почву;
3) микрокапсулированные препараты для внесения в почву и обработки
растений;
90
4) растворы в воде и в органических растворителях (в том числе растворы для ультрамалообъемного опрыскивания, используемые для обработки
растений;
5) смачивающиеся порошки, используемые в виде водной суспензии
для опрыскивания;
6) концентраты эмульсий, при разбавлении водой образующие эмульсии для опрыскивания, а также концентрированные эмульсии;
7) пасты и водные суспензии;
8) аэрозоли и фумиганты;
9) другие формы - антисептические и инсектицидные мыла, краски, лаки, мази, мастики, воска, инсектицидные карандаши, инсектицидная и бактерицидная бумага, различные приманки и т. д. Последние формы препаратов
имеют ограниченное применение н производятся в небольших масштабах.
Исключение представляют лишь отравленные приманки, которые являются
основной формой препаратов для борьбы с грызунами.
Лекция 7
VII. Химия атмосферы и проблемы их загрязнения
1.
Атмосфера как объект изучения химии окружающей среды.
2.
Состав и структура атмосферы.
3.
Эволюция атмосферы.
4.
Загрязнение атмосферы.
1.
Атмосфера как объект изучения химии окружающей среды.
Атмосфера Земли – ее газовая оболочка – простирается более чем на
1500 км от поверхности планеты. Основная часть вещества атмосферы (около
80%) сосредоточена в тропосфере, верхняя граница которой расположена на
91
высоте около 17 км на экваторе, к полюсам она снижается до 8–10 км. Ее характеристики зависят от размера, массы, температуры, скорости вращения и
химического состава данного небесного тела, а также определяются историей
его формирования начиная с момента зарождения. Атмосфера Земли образована смесью газов, называемой воздухом. Ее основные составляющие – азот
и кислород в соотношении приблизительно 4:1.
На человека оказывает воздействие главным образом состояние нижних 15–25 км атмосферы, поскольку именно в этом нижнем слое сосредоточена основная масса воздуха. Наука, изучающая атмосферу, называется метеорологией, хотя предметом этой науки являются также погода и ее влияние
на человека. Состояние верхних слоев атмосферы, расположенных на высотах от 60 до 300 и даже 1000 км от поверхности Земли, также изменяется.
Здесь развиваются сильные ветры, штормы и проявляются такие удивительные электрические явления, как полярные сияния. Многие из перечисленных
феноменов связаны с потоками солнечной радиации, космического излучения, а также магнитным полем Земли. Высокие слои атмосферы – это также и
химическая лаборатория, поскольку там в условиях, близких к вакууму, некоторые атмосферные газы под влиянием мощного потока солнечной энергии вступают в химические реакции. Наука, изучающая эти взаимосвязанные
явления и процессы, называется физикой высоких слоев атмосферы.
Пока ракеты-зонды и искусственные спутники не исследовали внешние
слои атмосферы на расстояниях, в несколько раз превосходящих радиус Земли, считалось, что по мере удаления от земной поверхности атмосфера постепенно становится более разреженной и плавно переходит в межпланетное
пространство. Сейчас установлено, что потоки энергии из глубоких слоев
Солнца проникают в космическое пространство далеко за орбиту Земли,
вплоть до внешних пределов Солнечной системы. Этот т.н. солнечный ветер
обтекает магнитное поле Земли, формируя удлиненную «полость», внутри
которой и сосредоточена земная атмосфера. Магнитное поле Земли заметно
92
сужено с обращенной к Солнцу дневной стороны и образует длинный язык,
вероятно выходящий за пределы орбиты Луны, – с противоположной, ночной
стороны. Граница магнитного поля Земли называется магнитопаузой. С
дневной стороны эта граница проходит на расстоянии около семи земных радиусов от поверхности, но в периоды повышенной солнечной активности
оказывается еще ближе к поверхности Земли.
Общий вес газов атмосферы составляет приблизительно 4,51015 т. Таким образом, «вес» атмосферы, приходящийся на единицу площади, или атмосферное давление, составляет на уровне моря примерно 11 т/м2.
Значение для жизни. Из сказанного выше следует, что Землю от межпланетного пространства отделяет мощный защитный слой. Космическое
пространство пронизано мощным ультрафиолетовым и рентгеновским излучением Солнца и еще более жестким космическим излучением, и эти виды
радиации губительны для всего живого. На внешней границе атмосферы интенсивность излучения смертоносна, но значительная его часть задерживается атмосферой далеко от поверхности Земли. Поглощением этого излучения
объясняются многие свойства высоких слоев атмосферы и особенно происходящие там электрические явления.
2.
Состав и структура атмосферы.
Состав. Нижние слои атмосферы состоят из смеси газов (см. табл.).
Кроме приведенных в таблице, в виде небольших примесей в воздухе присутствуют и другие газы: озон, метан, такие вещества, как оксид углерода
(СО), оксиды азота и серы, аммиак.
СОСТАВ АТМОСФЕРЫ
Газ
Содержание в сухом воздухе, %
93
N2
азот
78,08
O2
кислород
20,95
Ar
аргон
0,93
CO2
углекислый газ
0,03
Ne
неон
0,0018
He
гелий
0,0005
Kr
криптон
0,0001
H2
водород
0,00005
X
ксенон
0,000009
В высоких слоях атмосферы состав воздуха меняется под воздействием
жесткого излучения Солнца, которое приводит к распаду молекул кислорода
на атомы. Атомарный кислород является основным компонентом высоких
слоев атмосферы. Наконец, в наиболее удаленных от поверхности Земли слоях атмосферы главными компонентами становятся самые легкие газы – водород и гелий. Поскольку основная масса вещества сосредоточена в нижних 30
км, то изменения состава воздуха на высотах более 100 км не оказывают заметного влияния на общий состав атмосферы.
Строение. По сравнению с жидкостями и твердыми телами, в газообразных веществах сила притяжения между молекулами минимальна. По мере
увеличения расстояния между молекулами газы способны расширяться беспредельно, если им ничто не препятствует. Нижней границей атмосферы является поверхность Земли. Этот барьер непроницаем.
На атмосферу действует также сила земного притяжения, которая
удерживает воздушную оболочку у поверхности Земли. Атмосферные газы
сжимаются под действием собственного веса. Это сжатие максимально у
нижней границы атмосферы, поэтому и плотность воздуха здесь наибольшая.
94
Таким образом, атмосфера состоит из отдельных слоев (т.е. серии концентрических оболочек, или сфер), выделение которых зависит от того, какое
свойство представляет наибольший интерес. На основании осредненного
распределения температур метеорологи разработали схему строения идеальной «средней атмосферы» (см. рис. 1).
Тропосфера – нижний слой атмосферы, простирающийся до первого
термического минимума (т.н. тропопаузы). Верхняя граница тропосферы зависит от географической широты (в тропиках – 18–20 км, в умеренных широтах – ок. 10 км) и времени года. Национальная метеорологическая служба
США провела зондирование вблизи Южного полюса и выявила сезонные изменения высоты тропопаузы. В марте тропопауза находится на высоте ок. 7,5
км. С марта до августа или сентября происходит неуклонное охлаждение
тропосферы, и ее граница на короткий период в августе или сентябре поднимается приблизительно до высоты 11,5 км. Затем с сентября по декабрь она
быстро понижается и достигает своего самого низкого положения – 7,5 км,
где и остается до марта, испытывая колебания в пределах всего 0,5 км.
Именно в тропосфере в основном формируется погода, которая определяет условия
Стратосфера. Вышележащий слой атмосферы часто ошибочно описывают как слой со сравнительно постоянными температурами, где ветры
дуют более или менее устойчиво и где метеорологические элементы мало
меняются. Верхние слои стратосферы нагреваются при поглощении кислородом и озоном солнечного ультрафиолетового излучения. Верхняя граница
стратосферы (стратопауза) проводится там, где температура несколько повышается, достигая промежуточного максимума, который нередко сопоставим с температурой приземного слоя воздуха.
95
Мезосфера, располагающаяся выше стратосферы, представляет собой
оболочку, в которой до высоты 80–85 км происходит понижение температуры до минимальных показателей для атмосферы в целом. Рекордно низкие
температуры до –110° С были зарегистрированы метеорологическими ракетами, запущенными с американо-канадской установки в Форт-Черчилле (Канада). Верхний предел мезосферы (мезопауза) примерно совпадает с нижней
границей области активного поглощения рентгеновского и наиболее коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца, что сопровождается
нагреванием и ионизацией газа.
Термосфера представляет собой слой атмосферы, в котором непрерывно повышается температура. Его мощность может достигать 600 км. Давление и, следовательно, плотность газа с высотой постоянно уменьшаются.
Вблизи земной поверхности в 1 м3 воздуха содержится ок. 2,5ґ1025 молекул,
на высоте ок. 100 км, в нижних слоях термосферы, – приблизительно 1019, на
высоте 200 км, в ионосфере, – 5ґ1015 и, по расчетам, на высоте ок. 850 км –
примерно 1012 молекул. В межпланетном пространстве концентрация молекул составляет 108–109 на 1 м3.
Экзосферой называется внешний слой атмосферы, выделяемый на основе изменений температуры и свойств нейтрального газа. Молекулы и атомы в экзосфере вращаются вокруг Земли по баллистическим орбитам под
воздействием силы тяжести. Некоторые из этих орбит параболические и похожи на траектории метательных снарядов. Молекулы могут вращаться вокруг Земли и по эллиптическим орбитам, как спутники. Некоторые молекулы, в основном водорода и гелия, имеют разомкнутые траектории и уходят в
космическое пространство (рис. 2).
3.
Эволюция атмосферы.
Историю образования атмосферы пока не удалось восстановить абсолютно достоверно. Тем не менее выявлены некоторые вероятные изменения
96
ее состава. Становление атмосферы началось сразу после формирования
Земли. Имеются довольно веские основания полагать, что в процессе эволюции Праземли и обретения ею близких к современным размеров и массы она
практически полностью утратила свою первоначальную атмосферу. Считается, что на раннем этапе Земля находилась в расплавленном состоянии и ок.
4,5 млрд. лет назад оформилась в твердое тело. Этот рубеж принимается за
начало геологического летоисчисления. С этого времени происходила и медленная эволюция атмосферы.
Некоторые геологические процессы, как, например, излияния лавы при
извержениях вулканов, сопровождались выбросом газов из недр Земли. В их
состав, вероятно, входили азот, аммиак, метан, водяной пар, оксид и диоксид
углерода. Под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации водяной
пар разлагался на водород и кислород, но освободившийся кислород вступал
в реакцию с оксидом углерода с образованием углекислого газа. Аммиак разлагался на азот и водород. Водород в процессе диффузии поднимался вверх и
покидал атмосферу, а более тяжелый азот не мог улетучиться и постепенно
накапливался, становясь основным ее компонентом, хотя некоторая его часть
связывалась в ходе химических реакций. Под воздействием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов смесь газов, вероятно присутствовавших в первоначальной атмосфере Земли, вступала в химические реакции, в
результате которых происходило образование органических веществ, в частности аминокислот. Следовательно, жизнь могла зародиться в атмосфере,
принципиально отличной от современной. С появлением примитивных растений начался процесс фотосинтеза, сопровождавшийся выделением свободного кислорода. Этот газ, особенно после диффузии в верхние слои атмосферы, стал защищать ее нижние слои и поверхность Земли от опасных для жизни ультрафиолетового и рентгеновского излучений. По оценкам, наличие
всего 0,00004 современного объема кислорода могло привести к формированию слоя с вдвое меньшей, чем сейчас, концентрацией озона, что тем не менее обеспечивало весьма существенную защиту от ультрафиолетовых лучей.
97
Вероятно также, что в первичной атмосфере содержалось много углекислого
газа. Он расходовался в ходе фотосинтеза, и его концентрация должна была
уменьшаться по мере эволюции мира растений, а также из-за поглощения в
ходе некоторых геологических процессов. Поскольку парниковый эффект
связан с присутствием углекислого газа в атмосфере, некоторые ученые полагают, что колебания его концентрации являются одной из важных причин
таких крупномасштабных климатических изменений в истории Земли, как
ледниковые периоды. Присутствующий в современной атмосфере гелий, вероятно, большей частью является продуктом радиоактивного распада урана,
тория и радия. Эти радиоактивные элементы испускают альфа-частицы, которые представляют собой ядра атомов гелия. Поскольку в ходе радиоактивного распада электрический заряд не образуется и не исчезает, на каждую
альфа-частицу приходится два электрона. В итоге она соединяется с ними,
образуя нейтральные атомы гелия. Радиоактивные элементы содержатся в
минералах, рассеянных в толще горных пород, поэтому значительная часть
гелия, образовавшегося в результате радиоактивного распада, сохраняется в
них, очень медленно улетучиваясь в атмосферу. Некоторое количество гелия
за счет диффузии поднимается вверх в экзосферу, но благодаря постоянному
притоку от земной поверхности объем этого газа в атмосфере неизменен. На
основании спектрального анализа света звезд и изучения метеоритов можно
оценить относительное содержание различных химических элементов во
Вселенной. Концентрация неона в космосе примерно в десять миллиардов
раз выше, чем на Земле, криптона - в десять миллионов раз, а ксенона - в
миллион раз. Отсюда следует, что концентрация этих инертных газов, изначально присутствовавших в земной атмосфере и не пополнявшихся в процессе химических реакций, сильно снизилась, вероятно, еще на этапе утраты
Землей своей первичной атмосферы. Исключение составляет инертный газ
аргон, поскольку в форме изотопа 40Ar он и сейчас образуется в процессе
радиоактивного распада изотопа калия.
98
4.
Загрязнение атмосферы.
Изменения в составе атмосферы могут происходить под влиянием
природных катастроф, например извержения вулканов. Но основные изменения происходят под влиянием хозяйственной деятельности человека: большинство современных технологических процессов, работа транспорта связаны с потреблением кислорода и выбросом пыли, газа, живой и неживой органики, электромагнитным излучением.
Промышленные выбросы увеличиваются в среднем на 2 - 5 % в год.
Воздух большого города сильно отличается от чистого лесного воздуха. Причина этого - выбросы автотранспорта, котельных и промышленных
предприятий. Автомобили и котельные выбрасывают стандартный набор газов: сернистый газ SO2, оксиды азота NO и NO2, угарный газ CO, Aформальдегид HCOH, а также сажу.
Металлургические предприятия выбрасывают в воздух сернистый газ,
угарный газ, формальдегид и циановодород HCN. В окрестностях алюминиевых заводов атмосфера обычно загрязнена фтороводородом. Целлюлозно бумажные комбинаты «обогащают» окружающий воздух сероводородом,
хлором, фенолом C6H5OH и формальдегидом. Такие предприятия сильно
ухудшают качество воздуха.
Основными вредными примесями пирогенного происхождения являются следующие.
Оксид углерода. Получается при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого
газа поступает в атмосферу не менее 1250млн. т. Оксид углерода является соединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы и спо-
99
собствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта.
Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработке сернистых руд (до 170млн. т. в год)
Серный ангидрид. Образуется при окислении сернистого ангидрида.
Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты
в дождевой воде, который поднимает почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпадения аэрозоля серной кислоты из дымовых
факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на
расстоянии менее 11 км от таких предприятий, обычно бывают густо усеяны
мелкими некротическими пятнами, образовавшихся в местах оседания капель серной кислоты. Пирометаллургические предприятия цветной и черной
металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки тонн
серного ангидрида.
Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу раздельно или
вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида.
Оксилы азота. Основным источником выброса являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту, нитранты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество
оксилов азота, поступающих в атмосферу, составляют 20млн. тонн в год.
Содинения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия
по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных
100
удобрений. Фторосодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений - фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция.
Соединения характеризуются токсичным эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами.
Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлоросодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере
встречаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора, определяется видом соединений и их концентрацией. В металлургической промышленности при выплавке чугуна и при переработке его на
сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых металлов и ядовитых газов. Так, в расчете на 1 тонну передельного чугуна выделяется кроме
12,7 кг. сернистого газа и 14,5 кг. пылевых частиц, определяющих количество соединений мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути и редких
металлов,смоляных веществ и цианистого водорода.
Сильное загрязнение воздуха в больших городах называется смогом (от
греч. "smoke" - дым и "fog" - туман). При отсутствии ветра над городом верхние слои воздуха прогреваются сильнее, чем нижние, тогда все вырабатываемые газы не могут идти из приземного слоя, и над городом повисает едкая
пелена. Под действием солнечного света в таком смоге образуются различные неустойчивые, но весьма токсичные продукты.
Сам по себе туман не опасен для человеческого организма, губительным он становится, только если загрязнен токсичными примесями. Главную
опасность представляет содержащийся в нём сернистый газ в концентрации 5
-10/м и выше.
Воздушный океан обладает способностью к самоочищению от загрязняющих веществ. Аэрозоли вымываются из атмосферы осадками, ионы оседают под влиянием электрического поля атмосферы, а также вследствии гра101
витации. В отсутствие атмосферных осадков происходит выпадение аэрозолей в результате соприкосновения нижнего слоя воздуха с земной поверхностью и предметами, расположенными на ней. Так, воздушные потоки, приносящие загрязнение, очищаются, встречая на своём пути лес.
Промышленные предприятия дают много пыли, окислов азота, железа,
кальция, магния, кремния. Эти соединения не столь токсичны, однако снижают прозрачность атмосферы, дают на 50 % больше туманов, на 10 %
больше осадков, на 30 % сокращают солнечную радиацию. Тепловое воздействие увеличивает температуру в городе на 3 -5 градусов, безморозный период на 10 - 12 дней и бесснежный на 5 - 10 дней. Нагрев и подъём воздуха в
центре вызывает подток его с окраины - как из лесопаркового пояса,так и из
промышленных зон.
Лекция 8
VIII. Токсическое воздействие загрязняющих веществ на окружающую среду
1. Токсическое воздействие загрязняющих веществ.
2. Ксенобиотический профиль среды.
3.
Эффекты воздействия на живой организм.
4. Оценка состояния токсичности окружающей среды. Понятие мониторинга.
1. Токсическое воздействие загрязняющих веществ
Характер вредного действия загрязняющих веществ чрезвычайно разнообразен. Окись углерода и двуокись азота связывают гемоглобин крови и
при больших концентрациях опасны для жизни. Сернистый ангидрид и некоторые углеводороды оказывают раздражающее действие на слизистую оболочку дыхательных путей, а сернистый ангидрид, кроме того, губителен для
102
многих видов растений. Среди углеводородов могут быть вещества, наделенными канцерогенными свойствами (например, бензпирен) или обладающие
резким неприятным запахом. Углеводороды под действием солнечного света
вступает в фотохимические реакции с окислами азота, образуя в результате
широкий спектр веществ (перекиси, озон и др.), которые ускоряют коррозию
различных материалов, вредно действуют на растительность, а также являются одной из причин, образования "смога", способного, помимо всего прочего, обусловить массовые легочные и другие заболевания. Выброс частиц
сажи, оседающих на конструкциях, сооружениях и растительности, нежелателен, кроме чисто эстетических причин, потому, что задымленность воздуха
уменьшает видимость в районе аэродрома, а особо мелкие частицы углерода,
попадая в легкие, наносит вред здоровье человеку.
Сбрасываемые в естественные водоемы производственные и хозяйственно-бытовые стоки изменяют количество и качество воды в них, осложняют или вовсе исключают возможность использования водоемов для питьевых или производственно-технических нужд.
Степень влияния сточных вод на водоемы зависит от характера сбрасываемых загрязнителей, их количественных соотношений. Сама по себе
сточная неразведенная вода всегда имеет выраженный токсический эффект и
отрицательно сказывается на здоровье людей и может послужить причиной
возникновения различного рода инфекционных заболеваний. Попадая в организм людей с питьевой водой, многие ядовитые металлы и их органические
соединения, например свинец, мышьяк, кадмий, ртуть, - содержащиеся в
сточных водах предприятий могут вызвать отравление людей, преимущественно хроническое. Повышенные концентрации химических элементов
оказывают токсическое действие на водные организмы.
Гидробионты в той или иной мере реагируют на изменение гидрохимического режима водоема, происшедшего в результате спуска сточных вод.
103
Если тот или иной организм не может адаптироваться к новому химическому
составу воды и гибнет, то происходит изменение в соотношении между видами в биоценозах. Такие изменения могут также снизить плодовитость у
гидробионтов, уменьшить их жизнеспособность и явится фактором, ограничивающим развитие и численность водных организмов. Так, кисловатые воды при водородном показателе рН 6,4-5,0 опасны для рыб при концентрациях
двуокиси углерода выше 20 мг/л или при повышенном содержании солей железа, кислые воды при рН ниже 5,0 и щелочные воды при рН выше 9,5 опасны для рыб всегда, подщелочные воды при рН 8,6-9,5 опасны для рыб при
длительном действии.
Загрязненная химическими веществами вода даже при большом разбавлении ее чистой нарушает нормальное развитие оплодотворенной икры,
быстро губит эмбрион (зародыш). Загрязнение водоемов наряду с факторами
прямой гибели рыбы причиняет рыбным запасам вред и в другом отношении:
погибает корм - мелкие беспозвоночные животные, которые поедают рыбы.
Загрязнение нефтепродуктами сточных вод вызывает многообразные и
глубокие изменения в составе водных биоценозов и даже во всей фауне и
флоре водоемов. Это обусловлено физико-химическими свойствами самой
нефти, которая весьма сложна по своему составу и может отдавать в воду
вещества в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Часть ее компонентов оседает на дно, часть находится в виде суспензий
и эмульсий в толще воды. а часть - в молекулярно растворенном состоянии.
Таким образом, все существующие виды загрязнений какие бы они не
были, оставляют свой отпечаток на состоянии здоровья человека, животных,
на развитии организмов и этим подчеркивают опасность загрязнения.
2. Ксенобиотический профиль среды
С позиций токсиколога абиотические и биотические элементы того, что
мы называем окружающей средой - все это сложные, порой особым образом
104
организованные агломераты, смеси бесчисленного количества молекул.
Для экотоксикологии интерес представляют лишь молекулы, обладающие
биодоступностью, т.е. способные взаимодействовать немеханическим путем
с живыми организмами. Как правило, это соединения, находящиеся в газообразном или жидком состоянии, в форме водных растворов, адсорбированные
на частицах почвы и различных поверхностях, твердые вещества, но в виде
мелко дисперсной пыли (размер частиц менее 50 мкм), наконец вещества, поступающие
в
организм
с
пищей.
Часть биодоступных соединений утилизируется организмами, участвуя в
процессах их пластического и энергетического обмена с окружающей средой, т.е. выступают в качестве ресурсов среды обитания. Другие же, поступая
в организм животных и растений, не используются как источники энергии
или пластический материал, но, действуя в достаточных дозах и концентрациях, способны существенно модифицировать течение нормальных физиологических процессов. Такие соединения называются чужеродными или ксенобиотиками
(чуждые
жизни).
Совокупность чужеродных веществ, содержащихся в окружающей среде (воде, почве, воздухе и живых организмах) в форме (агрегатном состоянии),
позволяющей им вступать в химические и физико-химические взаимодействия с биологическими объектами экосистемы составляют ксенобиотический профиль биогеоценоза. Ксенобиотический профиль следует рассматривать как один из важнейших факторов внешней среды (наряду с температурой, освещенностью, влажностью, трофическими условиями и т.д.), который
может быть описан качественными и количественными характеристиками.
Важным элементом ксенобиотического профиля являются чужеродные вещества, содержащиеся в органах и тканях живых существ, поскольку все они
рано или поздно потребляются другими организмами (т.е. обладают биодоступностью).
Напротив, химические вещества, фиксированные в твердых, не диспергируемых в воздухе и нерастворимых в воде объектах (скальные породы,
105
твердые промышленные изделия, стекло, пластмасса и др.), не обладают
биодоступностью. Их можно рассматривать как источники формирования
ксенобиотического профиля. Ксенобиотические профили среды, сформировавшиеся в ходе эволюционных процессов, миллионы лет протекавших на
планете, можно назвать естественными ксенобиотическими профилями. Они
различны
в
разных
регионах
Земли.
Биоценозы, существующие в этих регионах (биотопах), в той или иной степени адаптированы к соответствующим естественным ксенобиотическим
профилям.
Различные природные коллизии, а в последние годы и хозяйственная
деятельность человека, порой существенным образом изменяют естественный ксенобиотический профиль многих регионов (особенно урбанизированных).
Химические вещества, накапливающиеся в среде в несвойственных ей
количествах и являющиеся причиной изменения естественного ксенобиотического профиля, выступают в качестве экополлютантов (загрязнителей).
Изменение ксенобиотического профиля может явиться следствием избыточного накопления в среде одного или многих экополлютантов.
Далеко не всегда это приводит к пагубным последствиям для живой
природы и населения. Лишь экополлютант, накопившийся в среде в количестве, достаточном для инициации токсического процесса в биоценозе (на любом уровне организации живой материи), может быть обозначен как экотоксикант.
Одна из сложнейших практических задач экотоксикологии - определение количественных параметров, при которых экополлютант трансформируется в экотоксикант. При её решении необходимо учитывать, что в реальных
условиях на биоценоз действует весь ксенобиотический профиль среды, модифицируя при этом биологическую активность отдельного поллютанта. Поэтому в разных регионах (разные ксенобиотические профили, различные
106
биоценозы) количественные параметры трансформации поллютанта в экотоксикант строго говоря различны.
Экотоксикокинетика - раздел экотоксикологии, рассматривающий
судьбу ксенобиотиков (экополлютантов) в окружающей среде: источники их
появления; распределение в абиотических и биотических элементах окружающей среды; превращение ксенобиотика в среде обитания; элиминацию из
окружающей среды.
3.Эффекты воздействия на живой организм
Жизнь - высшая форма существования материи. Обычно выделяют
следующие уровни её организации: молекулярный, молекулярных систем,
субклеточный, клеточный, органный, целостного организма, популяционный,
биогеоценологический. Для токсиколога интерес представляет взаимодействие токсиканта с живыми системами на всех уровнях их организации.
В процессе ассоциации отдельных молекул и молекулярных систем образуются функциональные комплексы, цепи, сети. Характерными примерами
такого рода организации являются цепи ферментов гликолиза, системы синтеза жирных кислот, биологического окисления и т.д. В свою очередь эти системы участвуют в формировании более сложных субклеточных комплексов:
митохондрий, эндоплазматического ретикулума, ядра клетки и др. Действие
токсикантов на молекулярные системы может сопровождаться избирательным повреждением отдельных субклеточных комплексов. В этой связи иногда выделяют группы митохондриальных, лизосомальных, цитоплазматичкеских ядов, мембранотоксикантов, генотоксикантов и т.д.
Особо сложной формой организации материи является клетка. Она
представляет собой в известной степени самостоятельную единицу жизни,
т.е. обладает всеми свойствами живого организма. Токсический процесс, развивающийся в многоклеточном организме, непременно связан со структурнофункциональными нарушениями клеток хотя бы одного типа.
107
Клетки, объединенные в органы и ткани, приобретают способность к
определенной корпоративной активности, основанной на специализации,
протекающих в них процессов. В этой специализации причина избирательной чувствительности различных органов к отдельным токсикантам. Эволюция организмов сопровождается дифференциацией и специализацией отдельных тканевых элементов, их функциональной интеграцией. Происходит
формирование систем органов (сердечно-сосудистая система, дыхательная
система, нервная система, система крови, выделительная система, эндокринная система, иммунная система). Токсическое повреждение органа сказывается на функциональном состоянии всей системы. Функционирование целостного организма не возможно при повреждении образующих его органов
(легких, печени, почек, сердца и т.д.) и систем.
Отдельные организмы, в свою очередь, составляют более сложные неформальные надорганизменные образования: популяции, консорциумы, биогеоценозы, в которых они взаимодействуют между собой и с окружающей
средой, и только за счет этого единения получают возможность выживать,
сохранять и преумножать свою численность. Этим образованиям, как и любому уровню организации живой материи, свойственны особый вид структуры, кооперации, координации. Для них характерны определённые закономерности и тенденции развития. Любая надорганизменная биологическая система характеризуется высокой гетерогенностью чувствительности составляющих её индивидов к токсикантам.
Таким образом, для живой материи характерна иерархия организации,
строящаяся в соответствии с определёнными закономерностями, имеющими
большое значение для понимания явления токсичности:
1. Каждая более высокая форма материи включает в себя элементы более низкого уровня. Поэтому повреждающее действие химических веществ
на молекулярном уровне при определенных условиях отражается на состоянии биосистемы в целом.
108
2. С повышением уровня организации расширяется многообразие и
сложность биологических систем. При этом существенно возрастают возможности их токсического повреждения ксенобиотиками, увеличивается
разнообразие проявлений токсического процесса.
3. Каждая новая ступень организации живой материи приобретает качественно новые свойства. Токсическое действие веществ следует оценивать
с учетом этих новых свойств, не ограничиваясь характеристикой эффектов,
наблюдаемых на более низких ступенях организации живого.
4. Эволюция живой материи идет путем расширяющейся дифференциации и специализации составляющих биологическую систему элементов, с
одновременным усилением их кооперации. Существует известная избирательность в действии токсикантов. Любая избирательность токсического
действия носит условный характер. Повреждение элемента, так или иначе,
сказывается на функциональном состоянии системы в целом.
5. Более высокие уровни организации материи предполагают усиление
адаптивных возможностей, но требуют более совершенной системы координации составляющих её частей. В этой связи прослеживается закономерность: по мере усложнения организмов увеличивается число специфически
действующих на них высоко токсичных соединений.
4. Оценка состояния токсичности окружающей среды. Понятие
мониторинга
Современный термин «мониторинг» обозначает наблюдение, анализ
и оценку состояния окружающей среды, её изменений под влиянием хозяйственной деятельности человека, а также прогнозирование этих изменений.
Испытывая на себе результаты разрушающего действия воды, ветра, землетрясений, снежных лавин и т. п., человек издавна реализовал элементы мониторинга, накапливая опыт предсказания погоды и стихийных бедствий. Такого рода знания всегда были и сейчас остаются необходимыми для того, чтобы
109
по возможности снизить ущерб, причиняемый человеческому обществу неблагоприятными природными явлениями и, что особенно важно, уменьшить
риск человеческих потерь. Последствия большинства стихийных бедствий
необходимо оценивать со всех сторон. Так, ураганы, разрушающие постройки и приводящие к человеческим жертвам, как, правило, приносят обильные
осадки, которые в засушливых районах дают значительный прирост урожаев.
Поэтому организация мониторинга требует углублённого анализа с учётом
не только экономической стороны вопроса, но и особенностей исторических
традиций, уровня культуры каждого конкретного региона.
Переходя от созерцания явлений окружающей среды через механизмы
приспособления к осознанному и усиливающемуся воздействию на них, человек постепенно усложнял методику наблюдения за природными процессами и вольно или невольно вовлекался в погоню за самим собой. Ещё древние
философы считали, что в мире всё связано со всем, что неосторожное вмешательство в процесс даже, казалось бы, второстепенной важности может привести к необратимым изменениям в мире. Наблюдая за природой, мы долгое
время оценивали её с обывательских позиций, не задумываясь о целесообразности ценности наших наблюдений, о том, что мы имеем дело с самой
сложной самоорганизующеся и самоструктурирующей системой, о том, что
человек является всего лишь частицей этой системы. И если во времена Ньютона человечество любовалось целостностью этого мира, то теперь одним из
стратегических помыслов человечества является нарушение этой целостности, неизбежно вытекающее из коммерческого отношения к природе и недооценки глобальности этих нарушений. Человек изменяет ландшафты, создаёт
искусственные биосферы, организует агротехноприродные и полностью техногенные биокомплексы, перестраивает динамику рек и океанов и вносит
изменения в климатические процессы. Двигаясь таким путём, он все свои
научные и технические возможности до недавнего времени обращал во вред
природе и в конечном итоге самому себе. Обратные отрицательные связи
живой природы всё активнее сопротивляются этому натиску человека, всё
110
чётче проявляется несоответствие целей природы и человека. И вот мы оказываемся свидетелями приближения к кризисной черте, за которой род Homo
sapiens не сможет существовать.
Родившиеся ещё в начале нашего века идеи техносферы, ноосферы,
техномира, антропосферы и т. д. и т. п. на родине В. И. Вернадского были
восприняты с большим опозданием. Весь цивилизованный мир сейчас с нетерпением ждёт практического воплощения этих идей в нашей стране, своими размерами и мощью энергетического потенциала способной повернуть
вспять все прогрессивные начинания за её пределами. И в этом смысле системы мониторинга являются лекарством от безумия, тем механизмом, который поможет предотвратить сползание человечества к катастрофе. Спутником человеческой активности являются всё возрастающие по своей мощности катастрофы. Природные катастрофы происходили всегда. Они – один из
элементов эволюции биосферы. Ураганы, наводнения, землетрясения, цунами, лесные пожары и т. п. приносят ежегодно огромный материальный
ущерб, поглощают человеческие жизни. Одновременно всё более набирают
силу антропогенные причины многих катастроф. Регулярные аварии танкеров с нефтью, катастрофа в Чернобыле, взрывы на заводах и складах с выбросами отравляющих веществ и другие не предсказуемые катастрофы – реальность нашего времени. Нарастание числа и мощности аварий демонстрирует беспомощность человека перед лицом приближающейся экологической
катастрофы. Отодвинуть её может только быстрое широкомасштабное внедрение систем мониторинга. Такие системы успешно внедряются в Северной
Америке,
Западной
Европе
и
Японии.
Другими словами, ответ на вопрос о необходимости мониторинга можно
считать решённым положительно. Но жизнь требует большего. И чтобы повести разговор о нерешённых проблемах, давайте осмотримся и попытаемся
понять своё положение.
Проектирование систем мониторинга как основа их эффективного
функционирования. В публикациях последних лет отмечается большое зна111
чение стадии проектирования (или планирования) для эффективной работы
системы мониторинга. Подчеркивается, что предложенные в них схемы или
структуры проектирования сравнительно легко применимы для простых, локальных систем мониторинга, вместе с тем проектирование национальных
систем мониторинга сталкивается с большими трудностями, связанными с их
сложностью и противоречивостью. Суть проектирования системы мониторинга должна заключаться в создании функциональной модели их работы
или в планировании всей технологической цепочки получения информации,
где о качестве воды от постановки задач до выдачи информации потребителю для принятия решений. Поскольку все этапы получения информации тесно связаны между собой, недостаточное внимание к разработке какого-либо
этапа неизбежно приведет к резкому снижению ценности всей получаемой
информации. На основании анализа построения национальных систем нами
сформулированы основные требования к проектированию таких систем. По
нашему мнению, эти требования должны предусматривать следующие пять
основных этапов:
1) определение задач систем мониторинга качества воды и требований к информации, необходимой для их выполнения;
2) создание организационной структуры сети наблюдений и разработка принципов их проведения;
3) построение сети мониторинга;
4) разработка системы получения данных/информации и представления информации потребителям;
5) создание системы проверки полученной информации на соответствие исходным требованиям и пересмотра, при необходимости, системы
мониторинга.
При проектировании систем мониторинга необходимо помнить, что его
результаты в значительной степени зависят от объема и качества исходной
информации. Она должна включать как можно более подробные данные о
пространственно-временной изменчивости показателей качества воды, био112
ты, донных отложений, должна содержать подробные сведения о видах и
объемах хозяйственной деятельности на водосборах, включая данные об источниках загрязнения. Кроме того, необходимо опираться на все законодательные акты, связанные с контролем и управлением качеством воды, учитывать финансовые возможности, общую физико-географическую обстановку,
основные способы управления качеством воды и другие сведения.
1. Определение задач систем мониторинга качества воды и требований
к информации, необходимой для их выполнения. Роль первого этапа в настоящее время недооценивается, что является причиной многих отмеченных
выше недостатков. Для определения требований к информации по качеству
воды необходима большая детализация и взаимоувязка поставленных задач.
В качестве примера можно привести разработанную в Канаде программу мониторинга качества воды. Важную роль при этом играет формулирование как
можно более четкого представления о качестве воды и способах его оценки.
На основании четко сформулированных задач, а также с учетом ранее накопленных данных о качестве воды, должны определяться требования к информации, включая тип, форму и сроки ее представления потребителям, а также
пригодность для управления качеством воды. На первом этапе проектирования должны быть выбраны основные статистические методы обработки данных, так как от них в значительной степени зависит частота и сроки наблюдений, а также требования к точности получаемых значений.
2. Создание организационной структуры сети наблюдений и разработки принципов их проведения. Это основной и наиболее сложный этап, на котором с учетом поставленных задач и имеющегося опыта функционирования
системы мониторинга определяются структурные основные подразделения
сети наблюдений, в том числе центральное и региональные (и/или проблемные), с указанием их основных задач. Предусматриваются меры по соблюдению оптимального соотношения между видами наблюдательных сетей,
включая наблюдения на стационарных пунктах, действующих длительное
время по относительно неизменной программе, региональные краткосрочные
113
обследования для выявления пространственных аспектов загрязнения, а также интенсивные локальные наблюдения в областях, представляющих
наибольший интерес. На этом этапе решается вопрос о целесообразности и
масштабах использования автоматизированных, дистанционных и других
подсистем мониторинга качества воды. На втором этапе разрабатываются
также общие. Принципы, проведения наблюдений. Они могут представляться; в виде методических рекомендации или руководств по проведению ряда
мероприятий:
организации пространственных аспектов наблюдений (выбор мест расположения пунктов контроля, их категория в зависимости от важности объекта и его состояния; определения расположения наблюдательных створов,
вертикалей,
горизонтов
и
т.
д.);
—составлению программы наблюдений (намечается, какие показатели, в какие сроки и с какой частотой наблюдать, при этом даются рекомендации по
соотношению физических, химических и биологических показателей для типичных
ситуаций);
— организации системы контроля правильности выполнения работ и точности полученных результатов на всех этапах. Предполагается при этом, что
имеются унифицированные руководства по отбору и консервации проб воды,
донных отложений, биоты, руководства по химическому анализу вод, донных отложений и т. д.
3. Построение сети мониторинга. Данный этап предусматривает реализацию на основе предложенной организационной структуры сети разработанных ранее принципов проведения наблюдений с учетом специфики местных (региональных) условий. Уточняется соотношение видов наблюдательных сетей, устанавливаются места расположения пунктов в стационарной сети, выделяются области интенсивных наблюдений, намечается периодичность обследования водных объектов для возможного пересмотра наблюдательной сети. Составляются конкретные программы для каждого пункта и
вида наблюдений, регламентирующие перечень изучаемых показателей, ча114
стоту и сроки их наблюдения. При наличии автоматизированных и/или дистанционных наблюдений за качеством воды уточняются программы их работ.
4. Разработка системы получения данных! информации и представления информации потребителям. На этом этапе определяются особенности
иерархической структуры получения и сбора информации: пункты наблюдений - региональные информационные центры - общенациональный информационный центр. Планируется разработка банков данных по качеству воды,
и определяются виды и условия представления информационных услуг, выполняемых с их помощью. Дается детальная характеристика основных информационных форм, публикуемых в виде докладов, отчетов, обзоров и описывающих состояние качества воды на территории страны за определенный
период времени. Предусматриваются также процедуры контроля точности и
правильности получения данных на всех этапах работ.
5. Создание системы проверки полученной информации на соответствие исходным требованиям и пересмотра, при необходимости, системы
мониторинга. После создания системы мониторинга и начала ее функционирования появляется необходимость проверить, отвечает ли полученная информация исходным требованиям к ней, можно ли на основе этой информации эффективно управлять качеством водных объектов? Для этого необходимо наладить взаимодействие с организациями, осуществляющими управлением качества воды. Если получаемая информация соответствует предъявляемым к ней требованиям, систему мониторинга можно оставить без изменений. В случае если эти требования не выполняются, а также при появлении
новых задач система мониторинга нуждается в пересмотре. Правовая, нормативная и экономическая база. Правовое обеспечение охраны окружающей
среды и здоровья человека от воздействия загрязняющих веществ реализуется различными отраслями законодательства: конституционного, гражданского, уголовного, административного, здравоохранительного, природоохрани-
115
тельного, природоресурсного, а также нормативно - правовыми актами, международными конвенциями и соглашениями, ратифицированными Россией.
Лекция 9
IX. Методы и средства анализа химического загрязнения окружающей среды. Контроль и оценка состояния окружающей среды
1.
Кондуктометрический метод анализа и его использование в анализе объектов окружающей природной среды
2.
Применение хроматографических методов в экологическом мониторинге
3.
Основные принципы организации службы экологического мониторинга.
4.
Проблемы, определение экологической безопасности промышленных производств.
1.
Кондуктометрический метод анализа и его использование в
анализе объектов окружающей природной среды.
Необходимый уровень знаний является непременным условием успешной деятельности специалистов в области электрохимического анализа, способных творчески применять и развивать указанные методы. Одним из распространенных методов является кондуктометрия. Кондуктометрия используется в работе анализаторов детергентов в сточных водах, при определении
концентраций синтетических удобрений в оросительных системах, при оценке качества питьевой воды. В дополнение к прямой кондуктометрии для
определения некоторых видов загрязнителей могут быть использованы косвенные методы, в которых определяемые вещества взаимодействуют перед
измерением со специально подобранными реагентами и регистрируемое изменение электропроводности вызывается только присутствием соответству116
ющих продуктов реакции. Кроме классических вариантов кондуктометрии
применяют и ее высокочастотный вариант (осциллометрию), в котором индикаторная электродная система реализуется в кондуктометрических анализаторах непрерывного действия.
2.
Применение хроматографических методов в экологическом
мониторинге.
Исключительно мощное средство контроля загрязнения различных
объектов окружающей среды - хроматографические методы, позволяющие
анализировать сложные смеси компонентов. Наибольшее значение приобрели тонкослойная, газожидкостная и высокоэффективная жидкостная и ионная хроматография. Будучи несложной по технике выполнения, тонкослойная хроматография хороша при определении пестицидов и других органических соединений-загрязнителей. Газожидкостная хроматография эффективна
при анализе многокомпонентных смесей летучих органических веществ.
Одна из важных задач современной химии – надежный и точный анализ органических веществ, часто близких по строению и свойствам. Без этого
невозможно проведение химических, биохимических и медицинских исследований, на этом в значительной степени базируются экологические методы
анализа окружающей среды, криминалистическая экспертиза, а также химическая, нефтяная, газовая, пищевая, медицинская отрасли промышленности и
многие другие отрасли народного хозяйства.
Хроматографические методы часто оказываются незаменимыми для
идентификации и количественного определения органических веществ со
сходной структурой. При этом наиболее широко используемыми для рутинных анализов загрязнителей окружающей среды являются газовая и высокоэффективная жидкостная хроматография.
117
Газохроматографический анализ органических загрязнителей в питьевой и сточных водах сначала основывался на использовании насадочных колонок, позднее распространение получили и кварцевые капиллярные колонки. Внутренний диаметр капиллярных колонок составляет обычно 0,20-0,75
мм, длина - 30-105 м. Оптимальные результаты при анализе загрязнителей в
воде достигаются чаще всего при использовании капиллярных колонок с различной толщиной пленки из метилфенилсиликонов с содержанием фенильных групп 5 и 50%. Уязвимым местом хроматографических методик с использованием капиллярных колонок часто становится система ввода пробы.
Системы ввода пробы можно подразделить на две группы: универсальные и
селективные. К универсальным относятся системы ввода с делением и без
деления потока, “холодный” ввод в колонку и испарение при программировании температуры. При селективном вводе используют продувку с промежуточным улавливанием в ловушке, парофазный анализ и т.д. При использовании универсальных систем ввода в колонку поступает вся проба полностью, при селективной инжекции вводится только определенная фракция. Результаты, получаемые при селективном вводе, являются существенно более
точными, поскольку попавшая в колонку фракция содержит только летучие
вещества, и техника при этом может быть полностью автоматизирована.
Газохроматографические детекторы, используемые в мониторинге загрязнителей, часто подразделяют на универсальные, откликающиеся на каждый компонент в подвижной фазе, и селективные, реагирующие на присутствие в подвижной фазе определенной группы веществ со сходными химическими
характеристиками.
К
универсальным
относятся
пламенно-
ионизационный, атомно-эмиссионный, масс-спектрометрический детекторы
и инфракрасная спектрометрия. Селективными детекторами, используемыми
в анализе воды, являются электронно-захватный (селективен к веществам,
содержащим атомы галогенов), термоионный (селективен к азот- и фосфорсодержащим соединениям), фотоионизационный (селективен к ароматиче118
ским углеводородам), детектор по электролитической проводимости (селективен к соединениям, содержащим атомы галогенов, серы и азота). Минимально детектируемые количества веществ - от нанограммов до пикограммов
в секунду.
Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) является
идеальным методом для определения большого числа термически неустойчивых соединений, которые не могут быть проанализированы с помощью газовой хроматографии. Объектами анализа методом жидкостной хроматографии в настоящее время часто становятся современные агрохимикаты, в число
которых входят метилкарбонаты и фосфорорганические инсектициды, другие нелетучие вещества. Высокоэффективная жидкостная хроматография получает все большее распространение среди других методов, применяемых в
мониторинге окружающей среды, еще и потому, что имеет блестящие перспективы в плане автоматизации пробоподготовки.
Колонки для ВЭЖХ, которые чаще всего используют в анализах загрязнителей окружающей среды, имеют длину 25 см и внутренний диаметр
4,6 мм, заполняются они сферическими частицами силикагеля размером 5-10
мкм с привитыми октадецильными группами. В последние годы появились
колонки с меньшим внутренним диаметром, заполненными частицами меньшего размера. Использование таких колонок приводит к уменьшению расхода растворителей и продолжительности анализа, увеличению чувствительности и эффективности разделения, а также облегчает проблему подключения
колонок к спектральным детекторам. Колонки с внутренним диаметром 3,1
мм снабжают предохранительным картриджем (форколонкой) для увеличения срока службы и улучшения воспроизводимости анализов.
В качестве детекторов в современных приборах для ВЭЖХ используются обычно УФ-детектор на диодной матрице, флуоресцентный и электрохимический.
119
Электроаналитические методы, которые обычно применяют в анализе
воды для определения неорганических компонентов, часто уступают по чувствительности методам газовой и жидкостной хроматографии, атомноадсорбционной спектрометрии. Однако здесь используется более дешевая
аппаратура, иногда даже в полевых условиях. Основными электроаналитическими методами, применяемыми в анализе воды, являются вольтамперометрия, потенциометрия и кондуктометрия. Наиболее эффективными
вольтамперометрическими методами являются дифференциальная импульсная полярография (ДИП) и инверсионный электрохимический анализ (ИЭА).
Сочетание этих двух методов позволяет проводить определение с очень высокой чувствительностью - приблизительно 10-9 моль/л, аппаратурное
оформление при этом несложно, что дает возможность делать анализы в полевых условиях. Преимуществом метода ИЭА является (в отличие от других
методов, например, атомно-адсорбционной спектрометрии) также способность “отличать” свободные ионы от их связанных химических форм, что
важно и для оценки физико-химических свойств анализируемых веществ, и с
точки зрения биологического контроля (например, при оценке токсичности
вод). Время проведения анализа иногда сокращается до нескольких секунд за
счет повышения скорости развертки поляризующего напряжения.
Потенциометрия с применением различных ионоселективных электродов используется в анализе воды для определения большого числа неорганических катионов и анионов. Концентрации, которые удается определить
таким способом, 100 -10-7 моль/л. Контроль с помощью ионоселективных
электродов отличается простотой, экспрессностью и возможностью проведения непрерывных измерений. В настоящее время созданы ионоселективные
электроды, чувствительные к некоторым органическим веществам (например, алкалоидам), поверхностно-активным веществами и моющим веществам
(детергентам). В анализе воды используются компактные анализаторы типа
120
зондов с применением современных ионоселективных электродов. При этом
в ручке зонда смонтирована схема, обрабатывающая отклик, и дисплей.
Кондуктометрия используется в работе анализаторов детергентов в
сточных водах, при определении концентраций синтетических удобрений в
оросительных системах, при оценке качества питьевой воды. В дополнение к
прямой кондуктометрии для определения некоторых видов загрязнителей
могут быть использованы косвенные методы, в которых определяемые вещества взаимодействуют перед измерением со специально подобранными реагентами и регистрируемое изменение электропроводности вызывается только
присутствием соответствующих продуктов реакции. Кроме классических вариантов кондуктометрии применяют и ее высокочастотный вариант (осциллометрию), в котором индикаторная электродная система реализуется в кондуктометрических анализаторах непрерывного действия.
3.
Основные принципы организации службы экологического
мониторинга.
Экологический мониторинг (мониторинг окружающей среды) — это
комплексная система наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки
и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов.[1]
Виды мониторинга
Системы мониторинга или его виды различаются по объектам наблюдения. Поскольку компонентами окружающей среды являются воздух, вода,
минерально-сырьевые и энергетические ресурсы, биоресурсы, почвы и др., то
выделяют соответствующие им подсистемы мониторинга. При этом важно
создавать не разрозненные системы, а комплексные.
121
Уровни мониторинга
Мониторинг является многоуровневой системой. Обычно выделяют
системы детального, локального, регионального, национального и глобального уровней.
Низшим иерархическим уровнем является уровень детального мониторинга
(«элементарного»,
по
М.А.Шубину,
«объектного»,
по
А.В.Шидловской), реализуемого в пределах небольших территорий (участков) и т.д.
При объединении систем детального мониторинга в более крупную
сеть (например, в пределах района и т.п.) образуется система мониторинга
локального уровня. Локальный мониторинг предназначен обеспечить оценку
изменений системы на большей площади: территории города, района.
Локальные системы могут объединяться в еще более крупные – системы регионального мониторинга, охватывающие территории регионов в пределах края или области, или в пределах нескольких из них.
Системы регионального мониторинга могут объединяться в пределах
одного государства в единую национальную (или государственную) сеть мониторинга, образуя, таким образом, национальный уровень ) системы мониторинга. Примером такой системы являлась "Единая государственная система экологического мониторинга Российской Федерации" (ЕГСЭМ) и ее территориальные подсистемы. ЕГСЭМ была упразднена в 2002г.
В рамках экологической программы ООН поставлена задача объединения национальных систем мониторинга в единую межгосударственную сеть «Глобальную систему мониторинга окружающей среды» (ГСМОС). Это
высший глобальный уровень организации системы экологического мониторинга. Ее назначение - осуществление мониторинга за изменениями в окружающей среде на Земле и ее ресурсами в целом, в глобальном масштабе.
122
Глобальный мониторинг - это система слежения за состоянием и прогнозирование возможных изменений общемировых процессов и явлений, включая
антропогенные воздействия на биосферу Земли в целом. Пока создание такой
системы в полном объеме, действующей под эгидой ООН, является задачей
будущего, так как многие государства не имеют пока собственных национальных систем.
Глобальная система мониторинга окружающей среды и ресурсов призвана решать общечеловеческие экологические проблемы в рамках всей Земли, такие как глобальное потепление климата, проблема сохранения озонового слоя, прогноз землетрясений, сохранение лесов, глобальное опустынивание и эрозия почв, наводнения, запасы пищевых и энергетических ресурсов и
др. Примером такой системы является глобальная наблюдательная сеть сейсмомониторинга Земли, действующая в рамках Международной программы
контроля за очагами землетрясений (http://www.usgu.gov/) и др.
Программа мониторинга окружающей среды
Научно обоснованный мониторинг окружающей среды осуществляется
в соответствии с Программой. Программа должна включать в себя общие цели организации, конкретные стратегии его проведения и механизмы реализации.
Ключевым элементом любой Программы мониторинга окружающей
среды является:

перечень объектов, находящихся под контролем, их территори-
альная привязка (хорологическая организация мониторинга);

перечень показателей контроля и допустимых областей их изме-
нения (параметрическая организация мониторинга);
123

временные масштабы – периодичность отбора проб, частота и
время представления данных (хронологическая организация мониторинга).
Кроме того, в приложении в Программе мониторинга должны присутствовать схемы, карты, таблицы с указанием места, даты и метода отбора
проб и представления данных.
Системы наземного дистанционного наблюдения
В настоящее время в программах мониторинга помимо традиционного
"ручного" пробоотбора сделан упор на сбор данных с использованием электронных измерительных устройств дистанционного наблюдения в режиме
реального времени.
Использование электронных измерительных устройств дистанционного
наблюдения проводят используя подключения к базовой станции либо через
телеметрической сети, либо через наземные линии, сотовые телефонные сети
или другие телеметрические системы.
Преимуществом дистанционного наблюдения является то, что в одной
базовой станции для хранения и анализа могут использоваться многие каналы данных. Это резко повышает оперативность мониторинга при достижении
пороговых уровней контролируемых показателей, например, на отдельных
участках контроля. Такой подход позволяет по данным мониторинга предпринять немедленные действия, если пороговый уровень превышен.
Использование систем дистанционного наблюдения требует установки
специального оборудования (датчиков мониторинга), которые обычно маскируются для снижения вандализма и воровства, когда мониторинг проводится в легко доступных местах.
124
Системы дистанционного зондирования
В программах мониторинга широко задействовано дистанционное зондирование окружающей среды с использованием самолетов или спутников,
снабженных многоканальными датчиками.
Различают два вида дистанционного зондирования.
1.
Пассивное обнаружение земного излучения, испускаемого или
отраженного от объекта или в окрестностях наблюдения. Наиболее распространенным источником излучения является отраженный солнечный свет,
интенсивность которого измеряется пассивными датчиками. Датчики дистанционного зондирования окружающей среды настроены на конкретные
длины волн - от далекого инфракрасного, до далекого ультрафиолета, включая и частоты видимого света. Громадные объемы данных, которые собираются при дистанционном зондировании окружающей среды требуют мощной
вычислительной поддержки. Это позволяет проводить анализ слабоотличающихся различий в радиационных характеристиках среды в данных дистанционного зондирования, успешно исключать шумы и «ложные цветовые
изображения». При нескольких спектральных каналах удается усилить контрасты, которые незаметны для человеческого глаза. В частности, при задачах мониторинга биоресурсов можно различать тонкие отличия изменения
концентрации в растениях хлорофилла, обнаружив области с различием питательных режимов.
2.
При активном дистанционном зондировании со спутника или са-
молета излучается поток энергии и используется пассивный датчик для обнаружения и измерения излучения, отраженного или рассеянного объектом
изучения. Для получения информации о топографических характеристиках
исследуемой области часто используется ЛИДАР, что особенно эффективно,
когда территория велика и ручная съемка будет дорогостояща.
125
Дистанционное зондирование позволяет собирать данные об опасных
или труднодоступных районах. Применение дистанционного зондирования
включают мониторинг лесов, последствия действия изменения климата на
ледники Арктики и Антарктики, исследованиях прибрежных и океанских
глубин.
Данные с орбитальных платформ, полученные из различных частей
электромагнитного спектра в сочетании с наземными данными, представляет
информацию для контроля тенденций проявления долгосрочных и краткосрочных явлений, природных и антропогенных. Другие области применения
включают управление природными ресурсами , планирование использования
земли, а также различные области наук о Земле.
4.
Проблемы, определения экологической безопасности
промышленных производств
Безуспешные попытки общества организовать взаимодействие с природой в формах рационального природопользования и охраны природных
объектов привели к возникновению различных факторов опасности и сопутствующих им рисков и, как следствие, к развитию новой формы взаимодействия общества и природы — обеспечению экологической безопасности (ЭБ)
личности, населения, предприятия.
Для промышленного предприятия под экологической безопасностью
следует понимать такое состояние его производственно-хозяйственной деятельности, которое не создает угрозы для окружающей природной среды и
человека, соответствует потребностям людей, исключает любую опасность
их здоровью и будущим поколениям.
Понятие «безопасность предприятия» подразумевает эффективное использование ресурсов, обеспечивающее его стабильное функционирование в
настоящем и устойчивое развитие в будущем.
126
Понятие «безопасность предприятия» неразрывно связано с такими понятиями, как «устойчивость», «развитие», «уязвимость» и «управляемость».
Связь безопасности с понятиями «развитие» и «устойчивость» объясняется
следующим образом. Развитие — один из компонентов безопасности системы: если система не развивается, то у нее резко сокращаются возможность
выживания, сопротивляемость и приспосабливаемость к внутренним и внешним условиям. Устойчивость и безопасность — важнейшие характеристики
предприятия, как единой системы, их не следует противопоставлять, каждая
по-своему характеризует состояние предприятия.
Уязвимость предприятия — показатель, характеризующий степень
его подверженности внешним и внутренним опасностям, т.е. его незащищенность. В более общем виде уязвимость — свойство любого материального
объекта природы, техники или социума утрачивать способность к выполнению естественных или заданных функций в результате негативных воздействий опасностей определенного происхождения и интенсивности.
Управляемость предприятия — это комплексная характеристика его
способности реагировать на целенаправленное воздействие. Промышленное
предприятие представляет собой важный объект экономической жизни региона, на территории которого оно расположено, и государства в целом.
Два выделенных направления — объекты международной стандартизации. Так, в настоящее время широкое распространение получили международные стандарты на системы менеджмента в области охраны окружающей
среды (ИСО 14000) и промышленной безопасности (OHSAS 18000). Предметом этих стандартов является систематизация требований к деятельности организации в конкретных областях менеджмента (см . таблицу ).
В целом структура стандартов предлагает следующую последовательность действий:
127
1) разработка политики организации (охрана окружающей среды и
промышленная безопасность должны быть равноправными и согласованными частями общей политики и стратегии развития организации);
2) планирование деятельности в области экологии и безопасности производства; определение законодательных и других требований, целевых и
плановых показателей (опасности и риска, экологичности продукции); разработка программы управления охраной окружающей среды и труда;
3) внедрение системы управления и обеспечение ее функционирования,
в том числе определение структуры и ответственности, организация обучения, связи,
разработка документации, управление ею и операциями, обеспечение
подготовленности к аварийным ситуациям (несчастным случаям) и реагирование на них;
4) проведение проверок, корректирующих и предупреждающих действий, мониторинга и измерений, устранение несоответствий, аудит системы.
Поскольку рассмотренные системы менеджмента имеют много общего
и взаимно пересекаются, то наиболее эффективно создавать на предприятии
интегрированную систему менеджмента, состоящую из двух частей СЭМ и
СМПБиОТ. Назовем ее системой управления экологической безопасностью
(СУЭБ).
Итак, СУЭБ — это подсистема предприятия, создаваемая для поддержания на всех стадиях жизненного цикла продукции таких характеристик
окружающей и производственной среды, которые соответствуют потребностям людей, не создают угрозы их здоровью, окружающей среде и отвечают
долгосрочным целям предприятия.
128
В этом определении подчеркивается, что создание СУЭБ соединяет в
себе экологические интересы общества и цели предприятия как хозяйствующего субъекта, ориентированного на производство продукции и получение
прибыли. С точки зрения системного подхода каждое из двух направлений —
самостоятельное, но со взаимосвязанными частями (подсистемами). Интегрированная система менеджмента имеет следующие достоинства перед
несколькими автономными параллельными системами:
большая согласованность действий внутри организации, тем самым
усиливается синергетический эффект;
минимальная функциональная разобщенность в организации;
поиск более эффективных способов выполнения работ исключает их
дублирование;
меньшее число внутренних и внешних связей; значительно меньший
объем документов;
более высокая степень вовлеченности персонала в улучшение деятельности организации;
выше способность учитывать баланс интересов внешних сторон; ниже
затраты на разработку, функционирование и сертификацию.
Внедрение СУЭБ должно основываться на следующих принципах,
установленных в рассмотренных международных стандартах:
1) системный подход — позволяет связать в единое целое различные
аспекты деятельности;
2) комплексный подход — охватывает различные стороны деятельности предприятия и обеспечивает эффект синергии всех элементов;
129
3) процессный подход — рассматривает всю деятельность организации
как совокупность взаимосвязанных процессов;
4) стратегичность и согласованность — система должна развиваться по
определенной стратегии, определяющей согласованность целей всех систем
менеджмента;
5) самоорганизация — сотрудники всех уровней самостоятельно контролируют процесс и предпринимают корректирующие действия;
6) предупредительность в решении проблем — весь механизм управления ЭБ должен быть ориентирован на предупредительные меры возникновения кризисных ситуаций;
7) экономичность — использование в ходе реализации процесса минимального количества ресурсов всех видов;
8) лидерство руководителя — необходимо назначить авторитетного
руководителя на высшем уровне управления, ответственного за внедрение и
функционирование интегральной системы менеджмента;
9) профессионализм — необходимость подготовки сотрудников в области ЭБ.
130