Роль электрохимических методов в экологии

Анаэробные организмы способны жить и развиваться при отсутствии в среде свободного кислорода. Термин «анаэробы» ввел Луи Пастер, открывший в 1861 году бактерии маслянокислого брожения. Распространены они главным образом среди прокариот. Метаболизм их обусловлен необходимостью использовать иные окислители, чем кислород. Многие анаэробные организмы, использующие органические вещества (все эукариоты, получающие энергию в результате гликолиза), осуществляют различные типы брожения, при которых образуются восстановленные соединения - спирты жирные кислоты. Другие анаэробные организмы - денитрифицирующие (часть из них восстанавливает железо), сульфатвоссстанавливающие, метанообразую-щие бактерии - используют неорганические окислители: нитрат, соединения серы, СО₂. Анаэробные бактерии разделяются на группы маслянокислых, в соответствии с основным продуктом обмена. Особую группу анаэробов составляют фототрофные бактерии. По отношению к О₂ анаэробные бактерии делятся на облигатных, которые неспособны использовать его в обмене и факультативных (например, денитрифицирующие), которые могут переходить от анаэробиоза к росту в среде с О₂. На единицу биомассы анаэробные организмы образуют много восстановленных соединений, основными продуцентами которых в биосфере они и являются. Последовательность образования восстановленных продуктов (N₂, Fe²⁺, H₂S, CH₄), наблюдаемая при переходе к анаэробиозу, в донных отложениях, определяется энергетическим выходом соответствующих реакций. Анаэробные организмы развиваются в условиях, когда О₂ полностью используется аэробными организмами, в сточных водах и илах.

1.6 ВЛИЯНИЕ КОЛИЧЕСТВА РАСТВОРЕННОГО КИСЛОРОДА НА ВИДОВОЙ СОСТАВ И ЧИСЛЕННОСТЬ ГИДРОБИОНТОВ

Степень насыщенности воды кислородом обратно пропорциональна

ее температуре. Концентрация растворенного О₂ в поверхностных водах изменяется от 0 до 14 мг/л и подвержена значительным сезонным и суточным колебаниям, которые в основном зависят от соотношения интенсивности процессов его продуцирования и потребления. В случае высокой интенсивности фотосинтеза вода может быть значительно пересыщена О₂ (20 мг/л и выше). В водной среде кислород является ограничивающим фактором и составляет в атмосфере 21% (по объему) и около 35% от всех газов, растворенных в воде. Растворимость его в морской воде составляет 80% от растворимости в пресной воде. Распределение кислорода в водоеме зависит от температуры, перемещения слоев воды, а также от характера и количества живущих в нем организмов. Выносливость водных животных к низкому содержанию кислорода у разных видов неодинакова. Среди рыб установлено четыре группы по их отношению к количеству растворенного кислорода:

1). 7 - 11 мг / л - форель, гольян, подкаменщик;

2). 5 - 7 мг / л - хариус, пескарь, голавль, налим;

3). 4 мг / л - плотва, ерш;

4). 0,5 мг / л - карп, линь.

Некоторые виды организмов приспособились к сезонным ритмам в потреблении О₂, связанными с условиями жизни. Так, у рачка Gammarus Linnaeus выявили, что интенсивность дыхательных процессов возрастает вместе с температурой и изменяется в течение года. У животных, живущих в местах, бедных кислородом (прибрежный и донный ил), обнаружены дыхательные пигменты, служащие резервом кислорода. Эти виды способны выживать, переходя к замедленной жизни, анаэробиозу или благодаря тому, что у них имеется d-гемоглобин, обладающий большим сродством к кислороду (дафнии, олигохеты, полихеты, некоторые пластинчатожаберные моллюски). Другие водные беспозвоночные поднимаются за воздухом на поверхность. Это имаго жуков-плавунцов и водолюбов, гладыши, водяные скорпионы и клопы, прудовики и катушка (брюхоногие моллюски). Некоторые жуки окружают себя воздушным пузырьком, удерживаемым волоском, а насекомые могут использовать воздух из воздухоносных пазух водяных растений.

Зависимость живых организмов от концентрации минеральных солей в среде. В естественных водах концентрация минеральных солей весьма различна. В пресной воде максимальное содержание растворенных веществ равно 0,5 г/л. В морской воде среднее содержание растворенных солей 35 г/л. В солоноватых водах этот показатель очень изменчив. Соленость обычно выражается в промилле (%) и является одной из основных характеристик водных масс, распределения морских организмов, элементов морских течений и т.д. Особую роль она играет в формировании биологической продуктивности морей и океанов, так как многие организмы очень восприимчивы к незначительным ее изменениям. Многие виды животных являются целиком морскими (некоторые виды рыб, беспозвоночных и млекопитающих).

В солоноватых водах обитают виды, способные переносить повышенную соленость. В эстуариях, где соленость ниже 3 %, морская фауна беднее. В Балтийском море, соленость которого составляет 4 %, встречаются балянусы, кольчецы, а также коловратки и гидроиды.

Водные организмы подразделяются на пресноводные и морские по степени солености воды, в которой они обитают. Сравнительно немногие растения и животные могут выдерживать большие колебания солености. Такие виды обычно обитают в эструариях рек или в соленых маршах и носят названия эвригалинных. К ним относятся многие обитатели литорали (соленость около 35 %), эструариев рек, солоноватоводных (5 - 35 %) и ультрасоленых (50 - 250 %), а также проходные рыбы, нерестящиеся в пресной воде (< 5 %). Наиболее удивительный пример - рачок Artemia salina, способный существовать при солености от 20 до 250 % и даже переносить полное временное опреснение. Способность существовать в водах с различной соленостью обеспечивается механизмами осморегуляции, которую поддерживают относительно постоянные концентрации осмотически активных веществ в жидкостях внутренней среды.

По отношению к солености среды животные делятся на стеногалинных и эвригалинных. Стеногалинные это - животные, не выдерживающие значительные изменения солености среды. Подавляющее число обитателей морских и пресных водоемов. Эвригалинные животные способны жить при широком диапазоне колебаний солености. Улитка Hydrobia ulvae способна выживать при изменении концентрации NaCl от 50 до 1600 ммоль/мл. К ним относятся также медуза Aurelia aurita, съедобная мидия Mutilus edulis, краб Carcinus maenas, аппендикулярия Oikopleura dioica.

Устойчивость по отношению к изменению солености меняется с температурой. Гидроид Cordylophora caspia лучше переносит низкую соленость при невысокой температуре; десятиногие раки переходят в малосоленые воды, когда температура становится слишком высокой. Виды, обитающие в солоноватых водах, отличаются от морских форм размерами. Краб Carcinus maenas в Балтийском море имеет маленькие размеры, а в эструариях и лагунах - крупные. То же можно сказать и о съедобной мидии Mutilus edulis, имеющей в Балтийском море средний размер 4 см, в Белом море - 10 - 12 см, а в Японском - 14 - 16 см в соответствии с увеличением солености. Кроме того, от солености среды зависит и строение эвригалинных видов. Рачок артемия при солености 122 % имеет размер 10 мм, при 20 % достигает 24 - 32 мм. Одновременно изменяется форма тела, придатков и окраска.

ГЛАВА 2. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ТОКСИКАНТЫ В ОКРУЖАЮЩЕЙ НАС СРЕДЕ

Охрана природы от нависшей над ней химической опасности стала глобальной проблемой и связана с производительными силами общества: развитием промышленного и сельскохозяйственного производства, энергетики, транспорта, добычей полезных ископаемых. Все это способствует успешному поступлению в воздух, воду, почву сотен тысяч токсичных соединений, проникновению их в организм растений, животных и человека. Повсеместное применение различных химических веществ в быту, сфере научных исследований также способствует нарастанию химико-экологической опасности. В продаже сейчас около 40000 различных химикатов и ежегодно к ним добавляются сотни других.

Масштабы техногенного химического загрязнения природной среды не поддаются точной оценке, однако приводимые в литературе данные свидетельствуют о дорогой цене, которую приходится платить человеку за успехи, достигнутые в ходе научно-технического прогресса. Так, за один год на Земле сжигается 7 миллиардов тонн условного топлива и выплавляется более 800 миллионов тонн различных металлов, что сопровождается выделением в окружающую среду сотен миллионов тонн вредных веществ. По данным В.А. Ковды, в биосферу уже с середины семидесятых годов ежегодно поступало 600 миллионов тонн токсичных газообразных веществ, в том числе оксида углерода(II) - 200 миллионов тонн, сернистого газа - 150 миллионов тонн, несколько миллиардов тонн различных аэрозолей, 5500 миллиардов кубических метров сточных вод.

В настоящее время под токсикантами окружающей среды понимают такие вредные вещества, которые распространяются в окружающей нас среде далеко за пределы своего первоначального местонахождения и оказывают скрытое вредное воздействие на животных, растения и впоследствии на человека.

Подлинные токсиканты - это ядовитые вещества, которые сам человек неосмотрительно включает в круговорот природы. Основное ядро токсикантов окружающей среды составляют пестициды: это собирательное название охватывает все существующие средства борьбы с вредными организмами.

Понятие «биоцид» часто распространяется на биологически активные вещества, которые попадают из промышленных сточных вод в биологический круговорот веществ. HCN - синильная кислота является инсектицидом и биоцидом, но она быстро улетучивается и не может быть полностью включена в разряд токсикантов окружающей среды.

2.1 НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ТОКСИКАНТЫ

Проблема деградации окружающей среды в значительной мере связана с отрицательным воздействием неорганических веществ, среди которых наибольшую экологическую опасность создают металлы и их соединения, а также диоксид серы и оксиды азота.

Попав в живую клетку, соединение токсичного металла первоначально осуществляет некоторую простейшую химическую реакцию, за которой затем следует каскадный отклик все более сложных взаимодействий биологических молекул и ансамблей.

Целый ряд металлов включен в различные процессы метаболизма. Эти металлы являются жизненно важными для живых организмов. Железо и медь - переносчики кислорода в организме, натрий и калий регулируют клеточное осмотическое давление, магний и кальций (а некоторые другие металлы) активизируют энзимы - биологические катализаторы.

Многие металлы в виде конкретных соединений нашли применение в медицине в качестве лекарственных и диагностических средств. Другие же оказались крайне нежелательными для живых организмов и небольшие избыточные дозы их оказывают фатальное воздействие.

Активность металлов как ядов в значительной мере зависит от формы, в которой они попадают в организм. Известный всем мышьяк ядовит в трехвалентном состоянии и практически неядовит в пятивалентном состоянии. А соединение мышьяка (CH₃)₃As⁺CH₂COO- вообще неядовито и содержится в тканях некоторых морских ракообразных и рыб, откуда он поступает в организм человека.

Дневная потребность цинка составляет 10 - 15 мг, но бльшие дозы уже отрицательно сказываются на организме. Однако Zn²⁺ хорошо комплексуется фосфатными группами, отщепляемыми от нуклеиновых кислот и липидов. В результате Zn²⁺ переходит в малоядовитую форму и легко выводится из организма:

Барий - нежелательный металл для живой клетки, но сульфат бария практически нерастворим в воде и выводится из организма без какого-либо воздействия, что позволило применять его при рентгеновских исследованиях желудочно-кишечного тракта.

Ртуть не оказывает отрицательного действия на организм в виде одновалентных соединений. Каломель (Hg₂Cl₂) почти неядовита, но двухвалентный Hg²⁺, как и пары ртути, оказывают токсическое действие.

Биологическая активность металлов связана с их способностью повреждать клеточные мембраны, повышать проницаемость барьеров, связываться с белками, блокировать многие ферментные системы, что приводит к повреждениям организма.

Все металлы по степени токсичности можно разделить на три группы:

-высокотоксичные металлы - ртуть, уран, индий, кадмий, медь, таллий, мышьяк, золото, ванадий, платина, бериллий, серебро, цинк, никель, висмут;

-умеренно токсичные металлы - марганец, хром, палладий, свинец, осмий, барий, иридий, олово, кобальт, галлий, молибден, скандий, сурьма, рутений, родий, лантан, лантаноиды;

-малотоксичные металлы - алюминий, железо, германий, кальций, магний, стронций, цезий, рубидий, литий, титан, натрий.

Металлы расположены в каждом ряду по мере убывания их токсичности. Если токсичность Na⁺ принять за единицу, то токсичность иона ртути будет почти в 2300 раз выше.

Ртуть как биоцид. Опасные соединения ртути обнаруживаются во всех трех средах обитания живых организмов. Сами живые организмы способствуют эффективному транспорту этого ядовитого элемента из одной среды в другую. На примере транспорта ртути можно проиллюстрировать процесс накопления ядов в пищевых цепях. Установлено, что кофермент метилкобаланин (CoC₆₃H₉₁N₁₂O₁₄P) в живых организмах метилирует ртуть, давая (СН₃)Hg⁺: (СН₃)[Co]⁺ + Hg²⁺ ® (CH₃)Hg⁺ + [Co]²⁺.

В процессы миграции метилртути вмешивается и производственная деятельность человека.

Каким бы путем ртуть ни попала в воду, микроорганизмы метилируют ее и при этом всегда образуется метилртуть CH₃Hg⁺ или (CH₃)₂Hg - диметилртуть. Выяснилось, что ее опасность чудовищна! (CH₃)₂Hg - жирорастворимое вещество, способное попадать в организм человека не только через пищевой тракт, но и дыхательные пути и просто через кожу, проникая через стенки клеток. Время жизни этого соединения в живой клетке составляет около 70 дней в связи с чем происходит длительное токсическое воздействие.

Еще одним источником органических производных ртути являются производства других металлоорганических соединений, из которых в результате реакций переалкилирования получается метилртуть:

(CH₃)₄Sn + Hg²⁺ ® CH₃Hg⁺ + (CH₃)₃Sn⁺ ;

(CH₃)₄Si + Hg²⁺ ® CH₃Hg⁺ + (CH₃)₃Si⁺ .

Тетраметильные и другие органические производные олова и кремния широко производятся промышленностью и имеют свои области применения. Кремнийорганические соединения используются в качестве смазочных материалов, как каучуки в медицине и т.д. Оловоорганические - как химические средства защиты растений (фунгициды, гербициды, инсектициды).

Последствия воздействия метилртути. Птенцы гусей, отравленных метилртутью, рождались слепыми, некоторые участки кожи были не покрыты оперением. У рыб, отравленных метилртутью, нарушается координация движения, они отстают от косяка и становятся добычей птиц. Среди диких животных наибольшее содержание ртути отмечено в печени кабанов и зайцев. В печени тюленей Северного моря обнаружено содержание ртути намного больше ПДК.

В Швеции в 50-х годах проводилась массовая обработка зерна метилртутьдицианамидом. Результат - гибель зерноядных птиц (голуби, фазаны, куры, куропатки, овсянки). Вторая цепь - гибель хищных птиц: совы, пустельги, ястреба, сокола-сапсана, филина. Это экологическая катастрофа! В связи с этим охотники больше не употребляют добытую ими пернатую дичь.

Всемирная организация здравоохранения считает, что ПДК для ртути в рыбе может составлять 1 мг/кг. Несмотря на это, в Финляндии рекомендуется есть рыбу только 1 - 2 раза в неделю.

Многочисленны отравления ртутью, выявлено в различных странах так как население очень любит употреблять в пищу рыбу пиранью.

У человека ртуть накапливается в волосах. Это индикатор! Если содержание ртути в окуне 0,8 мг/кг массы, то у щуки уже 1,6 мг/кг. После употребления такой щуки в пищу человеком, в волосах содержание ртути может составлять 50 мг/кг. Если же содержание ртути в волосах до 300 мг/кг массы, это является смертельно опасным. Воздействие ртути на организм человека вызывает поражение головного мозга, ограничение поля зрения вплоть до полной слепоты. Установлено также влияние на наследственность: метилртуть вызывает аномальные митозы (К-митозы), поломки хромосом в 1000 раз сильнее, чем при действии такого яда, как колхицин. Последствием ртутных отравлений в Швеции и Японии стали врожденные уродства у детей.

Свинец как токсикант окружающей среды. Свинец относится к наиболее известным ядам. Во времена расцвета различных государств использовались свинцовые трубы для водопроводов и металлические сплавы, содержащие свинец, из которых изготавливались кухонная посуда и сосуды для питья. Можно с уверенностью полагать, что в этот период у представителей высших слоев римского общества в организме человека накапливались повышенные концентрации свинца. В скелетах из захоронений времен Римской империи фиксируется высокое содержание свинца. На этих данных базируются теории, объясняющие упадок римского могущества хроническим свинцовым отравлением тогдашней интеллигенции. В подтверждение этому предположению был проведен эксперимент: в сосуды, покрытые свинцовой глазурью, помещали вино или сок. Один литр фруктового сока или вина, хранившегося в таком сосуде в течение дня, содержал столько свинца, которого хватило, чтобы вызвать смертельное отравление у маленького ребенка.

По данным различных Институтов охраны воздушной среды накопление свинца в организме вызывает ухудшение умственных способностей у населения. Методом атомно-адсорбционной спектроскопии исследовалось содержание свинца в молочных резцах у детей. Одновременно отслеживалось их умственное развитие с помощью тестов. Во всех случаях дети с высоким содержанием свинца в зубах хуже справлялись с заданиями. Таким образом, даже малые дозы свинца в организме отрицательно влияют на внимание и центры, регулирующие языковые и речевые навыки. Кроме того, по зубам детей выявили, как долго жил ребенок вблизи производств с использованием свинца и был ли его отец занят на этом производстве.

Подобно другим тяжелым металлам, свинец включается в различные клеточные ферменты, которые затем теряют свои функции в организме. Свинец (как ртуть и кадмий) отрицательно влияет на реакцию палочек сетчатки, что вызывает ухудшение сумеречного зрения и очень опасно для водителей автотранспорта. Субклиническое отравление свинцом проявляется неспецифическими симптомами: вначале повышенная активность и бессонница, затем - утомляемость, депрессии и запоры. Более поздними симптомами являются расстройства функции нервной системы и поражение головного мозга. Некоторые ученые склонны объяснить свинцовым отравлением агрессивность и преступность, столь характерные для современного мира.

В Балтийское море ежегодно поступает 5400 тонн свинца, причем 75% этого количества - из воздуха. Даже во льдах Гренландии отмечено повышенное содержание свинца. Токсикантом окружающей среды при этом являются алкильные соединения свинца, добавляемые к автобензину в качестве антидетонатора. Этилированный бензин стал известен как биоцид, попадающий в пищевую цепь, после того как в США погибло несколько телят вследствие свинцового отравления, вызванного употреблением молока коров, питавшихся травой, скошенной по обочинам автострад. Снизить загрязнение воздуха и почвы можно только лишь при полном отказе от использования этилированного бензина. Люди, живущие вблизи автомагистралей с интенсивным движением, за несколько лет накапливают в организме такое количество свинца, которое превышает ПДК во много раз. В настоящее время содержание свинца в организме американцев примерно в 400 раз выше «естественного» (доиндустриального) уровня.

В окрестностях города Норденхама (Германия) без конца гибли коровы на пастбище. В результате исследования трупов выяснилось, что причиной было свинцовое отравление. При рентгеновском обследовании школьников были выявлены темные полосы на трубчатых костях, обусловленные присутствием свинца. Источником свинца явились трубы металлургического завода. В зоопарке, находящемся в 7 км от этого города, в 1973 году в тропическом вольере была поселена колония летучих собак (калонгов). Потомство этих животных беспрестанно погибало (из 24 детенышей умерло 20). Смерть большинства из них была вызвана свинцовым отравлением (в печени животных обнаружено от 1,6 до 9,4 мг/кг свинца), причем свинец поступал не с пищей, а с пылью, приносимой ветром в район зоопарка.

Около 2/3 всего поглощенного свинца человек получает, потребляя растительные продукты: листовые и стеблевые продукты. Свинец, поглощаемый листовыми овощами, на 95% аккумулирует его из воздуха, и лишь на 5% - из почвы. Поэтому с точки зрения безопасности уборка опавших листьев полезна, хотя и выводит азот из круговорота веществ.

Свинец может попадать в организм человека и при употреблении в пищу мяса промысловых беспозвоночных, рыбы и млекопитающих животных. Устрицы осуществляют более чем 500-кратное концентрирование свинца. Мясо свиней, откармливаемых мукой из китового мяса (в Австралии), содержит свинца во много раз больше, чем в рыбе, признанной негодной к употреблению.

По различным оценкам, в результате отравления свинцом в Англии ежегодно гибнет от 2700 до 3500 лебедей. Водоплавающие птицы заглатывают свинец вместе с пищей, добываемой ими на дне рек и озер, а попадает он туда в виде свинцовых грузил, используемых рыболовами и свинцовой дроби. В 1982 году английский совет по охране природы рекомендовал рыболовам добровольно отказаться от использования свинцовых грузил. Но замену свинцовым грузилам пока не нашли. В США разрешено при охоте использовать только стальную дробь.

Кадмий, как токсикант окружающей среды. Тяжелый металл кадмий вообще представляет собой один из самых опасных токсикантов (токсичнее свинца). В природной среде кадмий встречается лишь в очень малых количествах, поэтому его отравляющее действие выявлено лишь недавно. Он содержится в мазуте и дизельном топливе, в сплавах (в качестве присадки), в гальванических покрытиях, в кадмиевых пигментах (используемых в производстве лаков, эмалей, керамики), в пластмассах (как стабилизатор), электрических батарейках и т.д. В результате сжигания отходов пластмасс и промышленных производств кадмий попадает в воздух. В Балтийское море (по данным Хаянена, 1993) ежегодно поступает около 200 тонн кадмия. А во всем мире в окружающую среду ежегодно выбрасывается около 5000 тонн этого металла.

Кадмий опасен в любой форме. Доза в 30 - 40 мг смертельна. Даже питье лимонада из сосудов, содержащих кадмий в эмали, чревато опасностью. Выводится из организма очень плохо, лишь 0,1% в сутки. Ранними симптомами отравления кадмием являются поражение почек и нервной системы, белок в моче, нарушение функции половых органов (воздействие на семенники), острые костные боли в спине и ногах. Кроме того, кадмий вызывает нарушение функции легких и обладает канцерогенным действием, накапливается в почках (содержание 0,2 мг Cd на 1 г массы почек вызывает тяжелое отравление).

Причиной попадания кадмия в пищевые цепи являются промышленные газообразные выбросы. Человек получает кадмий в основном с растительной пищей, так как он легко усваивается растениями из почвы (до 70 %). Очень большую опасность в этом отношении представляют грибы. Луговые шампиньоны могут накапливать до 170 миллиграмм на килограмм грибов. Федеральные власти Германии рекомендуют меньше употреблять в пищу дикорастущие грибы, а также свиные и говяжьи почки.

Недостаток железа в организме усиливает аккумуляцию кадмия. Поэтому женщины больше подвержены отравлению кадмием, так как во время менструальных циклов теряют вместе с кровью много железа, Особенно опасно это беременным женщинам, потому что много железа забирает печень ребенка. В этих случаях необходима профилактика восстановления содержания железа и защита от аккумуляции кадмия.

Недопустимо использовать ил донных отложений при очистке русла рек в качестве удобрений, так как сахарная свекла, картофель, сельдерей концентрируют кадмий.

Источники загрязнения кадмием:

- сжигание каменного угля (1 тонна угля содержит 2 г кадмия);

- фосфатные удобрения;

- отходы производства пластмасс;

- почки животных.

Содержание кадмия в почках животных накапливается с возрастом. С повышением дозы удобрений повышается содержание кадмия в почве, а затем и в растениях, которыми питаются животные.

2.2 НОРМИРОВАНИЕ АТМОСФЕРНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

Согласно ГОСТу 17.2.1.04-77, загрязнением атмосферы называется изменение состава атмосферы в результате наличия в ней примесей. Загрязнение, обусловленное деятельностью человека, называется антропогенным загрязнением. Под примесью тот же ГОСТ понимает рассеянное в атмосфере вещество, не содержащееся в ее постоянном составе. Таким образом, к примесям могут относиться не только токсичные, но и нетоксичные вещества.

Для каждого вещества, загрязняющего атмосферный воздух, установлены два норматива:

1). максимальная разовая предельно допустимая концентрация за 20 минут измерения (осреднения) - ПДК_м.р., мг/м³;

2). среднесуточная предельно допустимая концентрация, осредненная за длительный промежуток времени (вплоть до года) - ПДК_с.с., мг/м³.

ПДК вредного вещества в атмосфере - это максимальная концентрация, отнесенная к определенному периоду осреднения (20-30 минут, 24 часа, месяц, год), которая не оказывает ни прямого, ни вредного косвенного воздействия на человека и санитарно-гигиенические условия жизни.

При действии на организм одновременно нескольких вредных веществ, обладающих суммарным действием, сумма отношений фактических концентраций каждого вещества (С₁, С₂,... С_n) в воздухе и его предельно допустимой концентрации (ПДК₁, ПДК₂,... ПДК_n) не должна превышать единицу: С₁ / ПДК₁ + С₂ / ПДК₂ +... + С_n / ПДК_n Ј 1.

Гигиеническое нормирование сталкивается с существенными затруднениями организационного, технического и физиологического характера. Экологическая ниша человека неизменна, поэтому условие - концентрация загрязняющего вещества должна быть меньше или равна ПДК - должно соблюдаться в любых местах пребывания человека. Это означает, что для каждого вредного вещества устанавливается несколько максимальных разовых предельно допустимых концентраций в воздушной среде.

Наряду с предельно допустимыми концентрациями существуют временно допустимые концентрации (ВДК), иначе называемые ориентировочно безопасными уровнями воздействия (ОБУВ). Предельно допустимые концентрации устанавливаются на основе экспериментов с подопытными животными, что требует достаточно длительного времени. На первом этапе установления ПДК определяются основные токсикометрические характеристики исследуемых веществ и фактически установленные в результате экспериментов нормативы считаются временно допустимыми концентрациями. На втором этапе эти исследования продолжаются и носят проверочный характер, а на третьем - осуществляются клинико-статистические исследования работающих в течение трех лет для проверки правильности полученных в экспериментах на животных значений. Только после второго этапа полученные нормативы могут быть утверждены в качестве ПДК.

Для регулирования качества окружающей среды введен и строго контролируется предельно допустимый выброс (ПДВ), который является научно обоснованной технической нормой выброса вредных веществ из промышленных источников в атмосферу, определяемой на основе различных параметров источников, свойств выбрасываемых веществ и атмосферных условий.

2.3 НОРМИРОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В ВОДНЫХ ОБЪЕКТАХ

В нашей стране за основу приняты «естественные» нормативы качества воды (т.е. базирующиеся на биологической оценке степени вредоносности нормируемого вещества как при разработке санитарно-гигиенических норм, так и рыбохозяйственных нормативов). Это является большим шагом по сравнению с «техническими» нормативами, так называемыми «standards». В последние годы появились и биологические нормативы «criteria», но они не являются обязательными. Технические нормативы определяются возможностями существующих методов оценки сточных вод и они более практичны. Биологические нормативы, в свою очередь, дают возможность оценивать реальное состояние водных экосистем и применять более эффективные методы ликвидации загрязнений.

Загрязнением водоемов называется любое отрицательное действие (нарушение или ухудшение условий водопользования), вызванное поступлением или появлением в водоеме веществ, связанных прямо или косвенно с деятельностью человека. Различают три вида загрязнений:

- первичное загрязнение - вызванное поступлением загрязняющих веществ и процессами непосредственного их превращения. В цикле первичного загрязнения могут появляться вторичные и последующие загрязняющие вещества;

- вторичное загрязнение - развивается как следствие первичного загрязнения и представляет собой новый цикл загрязнения;

- повторное загрязнение - вызванное повторным выносом загрязняющих веществ вследствие первичного загрязнения. Например, вынос осевших на дно или вмерзших в лед нефтепродуктов во время паводка или таяния льда.

Источники загрязнения водных объектов могут быть организованными, с локализованным местом поступления и устройствами для сброса (хозяйственно-бытовые стоки, промышленные сточные воды); неорганизованными, не имеющими локализованного места сброса и устройств или приспособлений для сброса (лесосплавы, смывы удобрений с полей, заносы пестицидов при авиаобработках); полуорганизованные, имеющие одно из двух перечисленных условий (буровые вышки, смывы с территорий складов, предприятий транспорта и др.).

По времени действия загрязнение водоемов может быть постоянным (поступающим в течение всей вегетационной части года), периодическим (водоем не успевает восстанавливать свои свойства в промежутках между поступлением загрязняющих веществ) и разовым (водоем успевает восстанавливаться).

Интенсивность прямого действия загрязняющих веществ оценивается следующими параметрами:

- остролетальными концентрациями, вызывающими гибель живых организмов в течение нескольких часов до 10 суток;

- хроническими летальными концентрациями, вызывающими гибель живых организмов в более длительные сроки;

- сублетальными концентрациями (угнетающими), нарушающими основные жизненные функции - рост, размножение, обмен веществ;

- стимулирующими концентрациями;

- недействующими концентрациями.

Характер влияния загрязняющих веществ на водоемы и водные организмы подразделяются на три основные группы, которые принято называть лимитирующими показателями вредности (ЛПВ).

1. Общесанитарный ЛПВ. Включает в себя изменение трофии водоемов, снижение концентрации растворенного кислорода, изменение солености и температуры среды, механическое загрязнение твердыми и жидкими веществами.

2. Токсикологический ЛПВ. Отражает прямое токсическое действие веществ на водные организмы.

3. Хозяйственный (рыбохозяйственный) ЛПВ. Показывает порчу товарного качества промысловых водных организмов.

Существуют две группы нормативов для загрязняющих веществ, поступающих в водную среду.

1. Нормативы поступления загрязняющих веществ, при которых сохраняются охраняемые данным нормативом свойства водоемов и их населения, - предельно допустимый сброс (ПДС).

2. Нормативы содержания, при которых охраняемые свойства водоема не нарушаются, - предельно допустимая концентрация (ПДК).

ПДК устанавливается по наименьшей пороговой концентрации с учетом следующих сторон действия: стабильности вредных веществ в воде, влияния их на санитарный режим (способность к самоочищению) водоемов, влияния на органолептические свойства воды, влияние на здоровье населения, использующего воду. Указанные показатели относятся к ПДК_В и считаются санитарно-гигиеническими. Существует еще один вид ПДК, отражающий не только санитарно-гигиенические требования к качеству воды, но и экологические - ПДК_Р.В. (рыбохозяйственных водоемов).

Рыбохозяйственная ПДК - это такая максимальная концентрация загрязняющего вещества, при постоянном наличии которой, в водоеме, не наблюдается отрицательных последствий для рыбохозяйственного использования водоема. Следует учитывать, что загрязняющие вещества в водоемах не всегда присутствуют постоянно. В этом случае используют значения предельно допустимых разовых концентраций (ПДРК). Это такая максимальная первоначально созданная в водоеме концентрация однократно попадающего туда вещества, при которой оно и вредные продукты его распада не вызывают отрицательных последствий для рыбохозяйственного использования водоема.

Рыбохозяйственное нормирование включает в себя следующие аспекты - оценки влияния вещества на гидрохимический режим водоема (концентрация растворенного в воде кислорода, окисляемость по Кубелю, БПК₅ и БПК₂₀, изменение содержания трех форм азота - ионов аммония, нитритов и нитратов), на кормовую базу рыб (водоросли, зоопланктон и бентос), на микроорганизмы, на рост и развитие рыбы (икру, молодых и взрослых особей), ее товарные качества, а также оценку скорости разрушения загрязняющего вещества.

По степени опасности загрязняющих веществ для ПДК_Р.В. подразделяются:

- особоопасные (ПДК с содержанием загрязняющих веществ менее 0,0001 мг/л), предусматривающие отсутствие вредного вещества в воде;

- опасные (токсичные, но стабильные), лимитирующиеся по ПДК;

- токсичные (стабильные и не накапливающиеся);

- экологические, лимитирующиеся по общесанитарному ЛПВ.

Вторым нормируемым показателем, используемым для охраны водной среды от загрязнений, является предельно допустимый сброс (ПДС). В соответствии с ГОСТом, под предельно допустимым сбросом веществ в водный объект понимается масса вещества в сточных водах, максимально допустимая к отведению с установленным режимом в данном пункте водного объекта в единицу времени с целью обеспечения норм качества воды в контрольном пункте.

ПДС устанавливается с учетом ПДК веществ в местах водопользования, ассимилирующей способности водного объекта и оптимального распределения массы сбрасываемых веществ между водопользователями, сбрасывающими сточные воды. При сбросе веществ с одинаковыми ПДК ПДС устанавливается так, чтобы с учетом примесей, поступивших в водоем или водосток от вышерасположенных выпусков, сумма отношений концентраций каждого вещества в водном объекте к соответствующим ПДК не превышала единицы.

Проекты ПДС разрабатываются и утверждаются для предприятий и организаций, имеющих или проектирующих самостоятельные выпуски сточных вод в водные объекты, прежде всего в зонах повышенного загрязнения в целях соблюдения ПДК в контрольных створах водопользования. Утверждаются проекты ПДС органами природопользования, комитетом охраны природы. Величины ПДС действительны только на установленный период времени, после чего подлежат пересмотру.

2.4 НОРМИРОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ПОЧВЕ

Контроль над санитарным состоянием почвы включает проведение санитарно-физико-химических, санитарно-энтомологических, санитар-но-гельминтологических, санитарно-бактериологических и вирусологи-ческих исследований.

Общие принципы нормирования химических загрязняющих веществ в объектах окружающей среды изложены в Методических рекомендациях по гигиеническому обоснованию ПДК химических веществ в почве, утвержденных Минздравом Республики Узбекистан.

Санитарно-гигиеническое нормирование учитывает четыре показателя:

- транслокационный (переход загрязняющих веществ из почвы в растения через корневую систему);

- миграционный водный;

- миграционный воздушный;

- общесанитарный (влияние загрязняющего вещества на самоочи-щающую способность почвы и ее биологическую активность).

Загрязненность почвы органическими веществами, в частности отходами производств химических продуктов из углеводородов нефти и газа, оценивают по комплексному показателю «санитарное число», представляющему собой отношение количеств почвенного белкового и органического азота.

Нормирование содержания вредных веществ в почве предполагает установление таких концентраций, при которых содержание вредных веществ в контактирующих средах не превышает ПДК для водоема и воздуха, а в выращиваемых культурах - допустимых остаточных количеств. В соответствии с методическими рекомендациями нормирование включает три основных направления исследований. Первое - определение максимально допустимой концентрации вещества в почве с точки зрения токсикологического действия на человека. Эта концентрация должна гарантировать накопление вещества в выращиваемых культурах не выше допустимого остаточного количества, а попадание его в воздушную среду и грунтовые воды - не выше ПДК.

Второе - установление органолептических свойств растений, выращиваемых на данной почве, а также воды и атмосферного воздуха.

Третье - изучение характера и интенсивности действия вещества на процессы самоочищения, протекающие в почве.

Из найденных пороговых концентраций выбирают наименьшую, которую и принимают как предельно допустимую. Исследования проводят в лабораторных условиях с модельными почвами и растениями, а полученные результаты уточняют в полевом (портативно) эксперименте или в натуральных условиях.

По степени опасности вещества, загрязняющие почву, подразделяют на три класса:

- высокоопасные;

- умеренно опасные;

- малоопасные.

Класс опасности определяют не менее чем по трем показателям в соответствии с ГОСТом 17.4.1.02-83 «Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения».

2.5 ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ

Мониторинг (от латинского monitor - предупреждающий, предостерегающий) - комплексная система наблюдений, оценки и прогноза изменения состояния окружающей среды под влиянием антропогенных факторов. Этот термин появился перед проведением Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде (июнь, 1972) в дополнение к понятию «контроль». Большой вклад в разработку теории мониторинга внесли И.П. Герасимов, Ю.А. Израэль и В.Д. Федоров.

Для разумного управления природопользованием необходимо прежде всего, располагать данными о том, какая среда является оптимальной для нормальных условий жизни человека. Исходным понятием в этой работе служит качество среды, то есть такая совокупность ее параметров, которая всецело удовлетворяет как экологической нише человека, так и научно-техническому прогрессу общества. Для получения своевременной информации об изменениях в экологической системе необходима «точка отсчета», то есть какое-то определенное значение параметра качества среды, которое Ю.А. Израэль называет фоновым. Параметры такого фонового состояния не являются постоянными, а меняются под влиянием деятельности человека в пределах некоторого критического уровня среды, за пределы которого посторонние воздействия не должны выводить данную систему во избежание необратимых изменений. Таковыми считаются предельно допустимая экологическая нагрузка (ПДЭН) или ПДК чужих данных системы веществ-ксенобиотиков.

Секретариат ООН по окружающей среде определил экологический мониторинг как систему повторных наблюдений за элементами окружающей среды в пространстве и во времени с определенными целями в соответствии с заранее подготовленными программами. Объектами мониторинга могут быть природные, антропогенные или природно-антропогенные экосистемы. Цель мониторинга - не только пассивная констатация фактов, но и проведение экспериментов, моделирование процессов.

При организации мониторинга возникает необходимость решения одновременно нескольких задач разного уровня, поэтому (в 1975 году) И.П. Герасимов предложил различать три ступени мониторинга.

При биоэкологическом (синоним-локальный) мониторинге предполагается контроль за содержанием токсичных для человека и животных химических веществ в атмосфере, природных водах, растительности, почве, подверженных воздействию конкретных источников загрязнения (промышленные предприятия, стройки, рудники, мелиоративные системы, предприятия энергетики). При этом выявляют источник и степень загрязнения природных сред. Состояние окружающей среды оценивают с точки зрения здоровья человека, что служит самым важным, емким и комплексным показателями. Проводят локальный мониторинг гидрометеорологические, водохозяйственные и санитарно-эпидемиологические службы.

Геосистемный (синонимы геоэкологический, региональный, природохозяйственный) мониторинг должен давать оценку антропогенного влияния на природную среду в ходе обычной хозяйственной деятельности человека, которая обязательно предполагает тот или иной вид взаимодействия с природой (градостроительство, сельское хозяйство, промышленность, энергетика, лесное хозяйство, рыболовство, коммунально-бытовая деятельность). Этот вид контроля предполагает оценку взаимодействия человека и природы во всех направлениях и дает характеристику проса и выноса из природной среды вещества и энергии. Региональный мониторинг проводят агрослужба, гидроклиматическая, сейсмологическая и другие службы.

Биосферный (синонимы - фоновый, глобальный) мониторинг предполагает контроль за общепланетарными изменениями в биосфере, которые связаны с деятельностью человека. Фоновый мониторинг проводят в соответствии с Глобальной системой мониторинга окружающей среды, Международными программами «Наблюдения за планетой», ЮНЕСКО «Человек и биосфера» и ООН по окружающей среде ЮНЕП.

Основные задачи биосферного мониторинга определены в одном из разделов Международной программы «Человек и биосфера» и состоят в следующем:

- установление взаимосвязи между загрязнением, структурой и функционированием экосистем, их звеньев, популяций или отдельных организмов;

- определение перечня тех показателей и измерений, которые необходимы для наблюдения и оценки существующего состояния экосистемы и прогноза изменения его в будущем;

- анализ путей и скоростей преобразования загрязняющих веществ в экосистеме;

- определение критических уровней показателей окружающей среды.

Программу работ выполняют на станциях фонового мониторинга, предполагаемого регулярный отбор проб и определение следующих показателей:

- в атмосфере - взвешенные частицы, мутность, озон, диоксиды углерода и серы, оксиды азота, углеводороды, сульфаты, 3,4-бензпирен, ДДТ и другие.

- в атмосферных осадках - свинец, ртуть, кадмий, мышьяк, 3,4-бензпирен и рН;

- в поверхностных и подземных водах, донных отложениях - свинец, ртуть, метил ртуть, кадмий, мышьяк, ДДТ, 3,4-бензпирен, биогенные элементы;

- в почвах - свинец, ртуть, кадмий, мышьяк, ДДТ, 3,4-бензпирен, биогенные элементы.

Унифицированными методами анализ проб выполняют в двух аналитических центрах - в Санкт-Петербурге и Ташкенте. Координируют и обобщают работы по комплексному фоновому мониторингу Лаборатория мониторинга природной среды и климата Госкомгидромета РФ и Республики Узбекистан.

Наряду с методами оценки степени загрязнения с помощью приборов также используются методы биологической индикации, основанные на учете живых организмов (тест объектов), особенно чувствительных к конкретным химическим примесям. Такими биоиндикаторами служат мухи и лишайники, чувствительные к загрязнению воздуха; дафнии и инфузории, четко реагирующие на загрязнение поверхностных вод; почвенная фауна (дождевые черви) при загрязнении почв.

В настоящее время все большее развитие получает система аэрокосмического мониторинга, который используется в региональном и глобальном масштабах. Картины Земли из космоса - это прежде всего интегральные изображения природных и хозяйственных систем. Исследователь оперирует изображениями или цифровыми данными о земной поверхности как в широкой зоне видимого спектра, так и ультрафиолетовом, инфракрасном и радиолокационном диапазонах. К достоинствам космического мониторинга относятся возможность слежения за глобальными и региональными особенностями природы Земли, комплексный характер информации, содержащейся на снимках из космоса, что позволяет их использовать для изучения сложных компонентов природы и обнаружения следов антропогенного воздействия.

Современные темпы и масштабы антропогенных изменений в природе могут привести к необратимым негативным последствиям, предотвратить которых можно лишь при условии знания всех процессов, происходящих на уровне экологических систем и биосферы в целом. Кроме экологического мониторинга для решения этой задачи в экологии используют моделирование и экологическую экспертизу.

Под моделированием в экологии понимается исследование процессов и явлений, постановка различных экспериментов не в живой природе, а на специально созданных искусственных объектах, простейшим из которых является аквариум (террариум), или графических логических или математических схемах, более или менее отражающих свойства естественных систем. В отличие от обычного эксперимента при моделировании более развит теоретический момент. Он касается теоретического обоснования аналогии между моделью и реальным явлением и возможностью на этой основе переносить на явление результаты, полученные на модели. Одно из главных требований, предъявляемых к любой модели - это ее подобие с моделируемой системой. Наиболее просты и традиционны физические модели тех или иных устройств, представляющих собой уменьшенные копии этих устройств в целом или их подсистем.

Концептуальные модели представляют собой блоковые схемы воздействия подсистем и процессов в пределах более широких систем. Примером могут служить схемы круговорота веществ. Эти модели могут быть усложнены численной интерпретацией.

Графические модели - это зависимости между различными процессами, представляемые в системе прямоугольных координат. Как правило, эти модели характеризуют изменение одного параметра по мере изменения другого. В ряде случаев графические модели могут быть представлены в форме табличных моделей и наоборот.

Математическое моделирование заключается в формализации и исследовании поведения систем и их компонентов при помощи математики. Существуют два подхода к использованию математического аппарата в описании биологических процессов. Первый - это формализация заведомо известных процессов, общая специфика и закономерности которых устанавливаются практическим путем (наблюдения или эксперименты). Получаемые результаты представляются в виде графиков, преобразуемых далее в уравнения. Таковы уравнения, связывающие в логарифмической форме ПДК вредных веществ в воде и атмосфере с их физико-химическими свойствами (молекулярной массой и растворимостью). Другой подход к моделированию заключается в том, что высказывается некое гипотетическое суждение о той или иной закономерности, например о биоценотических процессах и эта гипотетическая закономерность «накладывается» на тот или иной известный закон поведения переменных в математическом уравнении.

Данные модели являются идеальными, имеющими методическое значение, но не отражающими реальные ситуации. Поэтому при теоретическом моделировании исследователи оперируют более сложными моделями. Реальные биологические процессы на уровне популяций и биогеоценозов настолько сложны, что в силу ограниченности доступной информации и трудностей ее формальной интерпретации, удовлетворительному анализу на основе математических моделей они пока не поддаются.

При математическом моделировании в отличие от других форм моделирования исследуемое явление заменяется его математическим описанием, воспроизводимым вычислительными средствами ЭВМ. Таким образом, эксперименты проводятся не с реальными объектами, а с ЭВМ, в которой реализована математическая модель явления. Такие модели называются кибернетическими, так как процессы, происходящие в живых системах, можно рассматривать как процессы управления с обратной связью. Эти модели могут быть реализованы как в виде уравнений функциональной зависимости, так и форме программ для ЭВМ.

Разработан метод электронно_конвективно_диффузионной аналогии (ЭКДА). Сущность его заключается в использовании математического изоморфизма двух физических систем (трансформации веществ в природных средах и электрической). Метод является средством имитационного моделирования при обосновании норм ПДК вредных веществ, сбрасываемых со сточными водами в водоемы и выбросов в атмосферный воздух. При этом могут быть учтены все основные определяющие условия переноса и трансформации загрязняющих веществ, природные факторы и гидрометеорологические режимы.

Экологическая экспертиза является особым видом экологического исследования, направленного на получение оценки воздействия на окружающую среду, природные ресурсы и здоровье людей комплекса промышленно_хозяйственных и других объектов. Это организованная деятельность экологов_экспертов, включающая анализ конкретных проблем природопользования с широким применением методологии системного подхода, постановку точного диагноза и выработку экологически обоснованного заключения.

Промышленно развитые страны, раньше столкнувшиеся с проблемой ухудшения состояния природной среды, были вынуждены начать разработку методики и системы экспертиз. Они начали проводиться с 1965 года. В нашей стране экспертные комиссии при Госкомприроде были созданы лишь в 1998 году.

В настоящее время для оценки воздействия на окружающую среду антропогенных факторов используется шесть специальных методов: групповой экспертизы, «контрольного списка», картографического наложения, блок_схемы, матричный метод и моделирование. Последние два метода широко используются при экологической экспертизе в зарубежных странах. При матричном методе в матрицу включают следующую информацию: по компонентам среды (климатические параметры - температура, влажность, ветер; земельные ресурсы; водные объекты), по видам хозяйственной деятельности (шахты, обогатительные фабрики) с указанием индикаторов техногенного воздействия. Известно, что при проведении экспертизы различных проектов хозяйственных сооружений используются матрицы, в которые вводятся более 80 компонентов окружающей среды с учетом типов воздействий (шум, вибрация, отвалы, лесоразработки).

Экологическую экспертизу подразделяют на три основные группы:

- ретроспективная экспертиза - изучение последствий реализованных ранее проектов, подведения итогов незапланированных промышленных экспериментов по воздействию на окружающую среду;

...