Основы экологии

Рациональное природопользование - это хозяйственная деятельность человека, обеспечивающая экономическое использование природных ресурсов и условий, их охранные воспроизводства с учетом настоящих и будущих интересов общества.

Нерациональное природопользование ведет к истощению природных ресурсов, загрязнению окружающей среды, нарушению экологического равновесия природных экосистем, т.е. к экологическому кризису или катастрофе. Причины нерационального природопользования различны - это недостаточное знание законов экологии, слабая материальная заинтересованность

Производителей, низкая экологическая культура населения.

В различных странах вопросы природопользования и охраны природы решаются по разному, в зависимости от факторов:

а) политические

б) экономические

в) социальные

г) нравственные

Понятие об охране среды - это система международных государственных и общественных мероприятий, направленных на рациональное использование, воспроизводство и охрану природных ресурсов, и улучшения состояния природной среды в интересах удовлетворения материальных и культурных потребностей, существующих и будущих поколений людей. Т.е. охрана природы - это система мероприятий по организации взаимоотношений человеческого общества и природы. В природоохранной деятельности различают: охрану атмосферы, вод, недр, почв, растительного и животного мира.

Рациональное природопользование и охрана окружающей среды очень тесно связанна между собой. В одних охрана природы рассматривается как составная часть природопользования, в других эти понятия не различают. Теоретически фундаментом рационального природопользования является экология.

Принципы рационального природопользования и охраны природы

Рациональное природопользование и охрана природы основаны на следующих принципах:

1) Правило прогноза: использование и охрана природных ресурсов должна осуществляться на основе предвидения и максимально возможного предотвращения негативных последствий природопользования.

2) Правило повышения интенсивности, освоение природных ресурсов: использование природных ресурсов должно производиться на основе повышения интенсивности, освоения природных ресурсов.

3) Правило множественного значения объектов и явлений природы: использование охраняемых природных ресурсов должно осуществляться с учетом интересов разных отраслей хозяйства.

4) Правило комплексности: использование природных ресурсов должно реализовываться комплексно разными отраслями хозяйства.

5) Правило региональности: использование и охрана природных ресурсов должны осуществляться с учетом местных ресурсов.

6) Правило косвенного использования и охраны: использование или охрана одного объекта природы может приводить к косвенной охране другого, а может приносить ему вред.

7) Правило единства использования и охраны природы: охрана природы должна осуществляться в процессе ее использования. Охрана природы не должна быть самоцелью.

8) Правило приоритетов охраны природы над ее использованием : при использование природных ресурсов должен соблюдаться приоритет экологической безопасности над экономической выгодностью.

Основы экономики природопользования

Экономика природопользования - раздел экономики изучающий вопросы экономической и не экономической оценки природных ресурсов и ущерба от загрязнений среды.

Задачи экономики природопользования:

1) Экономическая и внеэкономическая оценка природных ресурсов.

2) Определение экономического и внеэкономического ущерба наносимого народному хозяйству в результате нерационального природопользования и величины затрат необходимых для ликвидаций его последствий.

3) Выбор наиболее эффективных вариантов использования природных ресурсов и природоохранной деятельности, оценка абсолютной и относительной эффективности природоохранных затрат

4) Разработка экономических методов управления природоохранной деятельностью, материальное стимулирование охраны окружающей среды.

Оценка природных ресурсов

Ценность природного ресурса отражается суммой экономической и внеэкономической оценок.

Экономическая оценка природных ресурсов - определение их общественной полезности, т.е. вклад данного ресурса в повышении уровня удовлетворения общественной потребности через производство или потребление.

Внеэкономическая оценка природных ресурсов - определение неэкологической, здравоохранительной, социальной, социально-психологической, религиозно-культовой и иной ценой природных ресурсов обычно не выражается в экономическом показателе, либо условно выражена в деньгах как сумма, которую может пожертвовать общество для сохранения природных ресурсов.

Экономическая оценка природных ресурсов выполняет две функции:

1) Учетная - указывает каким национальным богатством обладает страна, на что можно рассчитывать в развитии пр-ва.

2) Стимулирующая - создает основу для введения платы за эксплуатации природных ресурсов с учетом ущерба и его возмещения в случае не рационального использования.

Экономическая оценка природных ресурсов, представляющая собой очень сложную научную и практическую проблему, т.к. стоимость любой вещи определяется затратами труда на её изготовление, а природные ресурсы являются продуктами природы, а не человека. Однако, в их разведку, освоения, охрану и воспроизводство вкладывается труд, т.е. создается стоимость. В настоящее время существует две основные концепции оценки природных ресурсов. Затратная и рентная. При затратной концепции учитываются расходы на освоение природных ресурсов, а качество природных благ и их полезность выступают как дополнительный фактор меры ценности.

При рентной концепции исчисляется дифференциальная рента, т.е. разная величина дохода, полученная при эксплуатации природных ресурсов различного качества и места, расположения. При экономической оценке природных ресурсов очень важно найти компромиссное решение с учётом обоих подходов. От его разумности будет зависеть:

1) выбор очерёдности вариантов использования природных ресурсов в народном хозяйстве.

2) Оценка ущерба от нерационального использования и эффективности природоохранных затрат.

3) Действенность мер по стимулированию рационализации природопользования. Обоснованность размеров платы по использованию природных ресурсов.

4) Прибыльность экспорта природных ресурсов.

5) Справедливое распределение прибыли, получаемой на совместных предприятиях.

В природопользовании под ущербом понимают фактические или возможные экономические и социальные потери в результате изменения природной среды под влиянием хозяйственной деятельности человека.

Ущербы природопользования классифицируются на:

1) исчислимые:

А) экономические:

*потери вследствие недополучения промышленной и с/х продукции.

*потери вследствие снижения производительности биогеоценозов.

*потери вследствие снижения производительности труда, вызванного ростом заболеваемости.

*потери сырья, топлива и материалов в связи с выбросами.

*затраты на ликвидацию последствий от загрязнения.

*затраты на восстановление или поддержание равновесия в экосистемах.

*затраты вследствие сокращения срока службы зданий и сооружений.

Б) социально-экономические:

*затраты в области здравоохранения.

*затраты на сохранение рекреационных ресурсов.

*потери вследствие миграции, вызванной ухудшением качества среды.

*дополнительные затраты на отдых.

2) условно-исчислимые:

А) социальные

*эстетический ущерб от деградации ландшафтов.

*увеличение смертности, патологические изменения в организме людей.

*психологический ущерб вследствие неудовлетворённости населения качеством среды.

Б) экологические:

*необратимые разрушения уникальных экосистем, исчезновение видов, генетический ущерб.

Под экономическим ущербом, нанесённым окружающей среде, понимаются выраженные в стоимостной форме фактические и возможны убытки, причинённые народному хозяйству загрязнениями или дополнительные затраты на компенсацию этих убытков.

Экономический эффект природоохранного мероприятия выражается величиной годового экономического ущерба от загрязнения среды, предотвращаемого благодаря этим мероприятиям или суммой предотвращаемых ущербов и годового прироста дохода от улучшения производственных результатов вследствие проведения природоохранных мероприятий.

Предотвращаемый экономический ущерб от загрязнения среды равен разности между величиной ущерба, который имел место до осуществления реализованного мероприятия и остаточного ущерба после проведения этого мероприятия.

Лекция №6

Загрязнения окружающей среды

Можно не сомневаться, что, загрязнения во все времена были бичом городов.

Все проблемы сводятся к тому, что человек в процессе деятельности создает отходы, которые он не уничтожает и не умеет пустить в круговорот.

Получение энергии в настоящее время - основная причина загрязнения среды.

Нефть и природный газ используются во всех сферах человеческой деятельность. Ископаемые углеводороды стоят в первом ряду источников загрязнения, поскольку при их сгорании образуется большое количество отходов.

Этимологически слово «загрязнение» означает осквернять, пачкать, марать, портить. Существует определение, которое опубликовано в 1965 году в докладе официальной комиссии Белого дома США:

«Загрязнение есть неблагоприятное изменение окружающей среды, которое целиком или частично является результатом человеческой деятельности, прямо или косвенно меняет распределение приходящей энергии, уровня радиации, физико-химические свойства окружающей среды и условия существования живых существ. Эти изменения могут влиять на человека прямо или через сельскохозяйственные ресурсы, через воду или другие биологические продукты (вещества). Они также могут воздействовать на человека, ухудшая физические свойства предметов, находящихся в его собственности, условия отдыха на природе и обезображивая ее саму».

Дать классификацию загрязнений - дело не легкое, так как существуют многочисленные критерии, по которым ее можно осуществить, но не одна такая классификация не будет вполне удовлетворительной.

Загрязняющие вещества можно сгруппировать по их природе - физической, химической, биологической и т.д. Можно рассматривать с медицинской точки зрения и изучать среду обитания или способ поражения человеческого организма - через пищу, при кожных контактах, при дыхании.

На деле ни один из этих подходов не обеспечивает достаточно удовлетворительного результата, так как воздействие одного и того же вещества могут быть качественно различными. Ртуть, оказавшаяся в почве, затем попадает в атмосферу и воду, вместе с пищей она проникает в организм, при дыхании - в легкие и т.д.

Ниже представлена классификация. В ней сделана попытка найти компромисс между различными точками зрения.

Классификация основных типов загрязнений и вредных воздействий

Физические загрязнения

Радиоактивные элементы (излучения).

Нагрев (или тепловое загрязнение).

Шумы или низкочастотная вибрация (инфразвук).

Химические загрязнения

Газообразные производные углерода и жидкие углеводороды.

Моющие средства.

Пластмассы.

Пестициды и другие синтетические органические вещества.

Производные серы.

Производные азота.

Тяжелые металлы.

Фтористые соединения.

Твердые примеси (аэрозоли).

Органические вещества, подверженные брожению.

Биологические загрязнения

Микробиологическое отравление дыхательных и питательных путей (бактерии, вирусы).

Изменение биоценозов из-за неумелого внедрения растительных или животных видов.

Эстетический вред

Нарушение пейзажей и примечательных мест грубой урбанизацией или малопривлекательными постройками.

Строительство индустриальных центров в девственных или мало затронутых человеком биотопах.

Рассеивание, циркуляция и накопление загрязняющих веществ в окружающей среде (биосфере)

Выброс загрязняющих веществ в окружающую среду - явление сложное, не ограничивающееся внешней стороной, а именно выливанием отходов в реку или выходом разноцветных дымов из заводских труб.

Ни одно вещество из тех, что выбрасывается человеком в биосферу, не остается на месте. В большинстве случаев они переносятся на значительные расстояния от места выброса. В результате переноса примесей в воздухе, воде, почве загрязняющие вещества постепенно рассеиваются по всей биосфере.

Но перенос и рассеивание загрязнений в биосфере обусловлено не только циркуляции атмосферы и движением воды в почвах и гидросфере. Любое соединение, загрязняющее естественную среду, может быть поглощено живыми организмами благодаря многогранным метаболическим процессам. Таким образом, оно включается в трофические (пищевые) цепи, участвут в круговороте веществ в биоценозе, оказывая вредное воздействие на многочисленные животные и растительные виды.

Эффект разбавления загрязняющих веществ в воздухе и воде, которое длительное время практиковалось для снижения вредного их влияния, оказался в конце концов ограниченным. Многочисленные исследования показали, что, с одной стороны, живые организмы ускоряют распространение токсичных веществ, увеличивая, таким образом, площадь зараженных областей, с другой стороны, - они накапливают эти вещества в своем организме. Так, мигрирующая рыба, отравленная в прибрежной зоне, может стать добычей другого вида, который она отравит, когда окажется в районе, удаленном от берегов.

Все живые существа обладают способностью накапливать в своем организме любые вещества, биологически слабо или совершенно не разрушающиеся. Организмы, аккумулирующие токсичные вещества, служат пищей другим животным, которые накопят их в своих тканях. Уровень накопления будет тем выше, чем меньше веществ при постоянстве остальных условий участвуют в обмене.

Постепенно происходит заражение всей пищевой цепи экосистемы, начало, которому положили первичные продуценты, «выкачивающие» загрязняющие вещества, рассеянные в биотопе. Хищники и человек, находящиеся в самом пищевой цепи, оказываются обладателями наиболее высокого уровня заражения. В Японии 110 человек погибли, а многие сотни стали инвалидами из-за отравления ртутью, которая содержалась в тканях рыб в 500 000 раз больше, чем в воде залива, в которую выбрасывались ртутьсодержащие отходы химического завода. Таким образом, загрязняя окружающую среду, человек, занимающий по отношению к другим живым существам место суперхищника, сталкивается с эффектом «бумеранга».

Загрязнение атмосферы

Восходящее к заре индустриальной цивилизации атмосферное загрязнение очень сильно возросло в последнее десятилетие во всех развитых странах. Рост промышленности и увеличение числа машин сопровождаются постоянным усилением выброса в воздух дыма, токсичных газов и других загрязняющих агентов.

Основные вещества, загрязняющие атмосферу, можно разбить на две группы - газы и твердые частицы. Газы составляют 90% общей массы выбрасываемых в атмосферу веществ, а на долю твердых частиц приходится 10%.

В таблице представлены основные источники веществ, отравляющих воздух.

Таблица 1

ПРИРОДА ЗАГРЯЗНЕНИЯ	ИСТОЧНИК ЗАГРЯЗНЕНИЯ
ГАЗЫ Углекислый газ	Вулканическая деятельность Дыхание живых организмов Сжигание ископаемого топлива
Окись углерода	Вулканическая деятельность Двигатели внутреннего сгорания
Органические соединения	Химическая промышленность Сжигание отходов Разнообразное топливо
Сернистый газ и другие производные серы	Вулканическая деятельность Морские бризы Бактерии Сжигание ископаемого топлива
Производные азота	Бактерии горение
Радиоактивные вещества	Атомные электростанции Ядерные взрывы
ЧАСТИЦЫ Тяжелые металлы Минеральные соединения	Вулканическая деятельность, метеориты Ветровая эрозия, водяная пыль Двигатели внутреннего сгорания
Органические вещества, естественные и синтетические	Лесные пожары Химическая промышленность Разнообразное топливо Сжигание отходов Сельское хозяйство (пестициды)

Структура атмосферы

Атмосфера по вертикали делится на несколько слоев, в которых давление с высотой постепенно падает. Это тропосфера, стратосфера, мезосфера и ионосфера (или термосфера). Нас интересуют только два первых слоя наиболее низко расположенные и наиболее плотные. Они играют основную роль в глобальном загрязнении биосферы, поскольку именно в них происходит перенос загрязняющих веществ на большие расстояния от густонаселенных и индустриальных районов. Например, ДДТ обнаружен в снегах Антарктиды (в центральной ее части), на расстоянии многих тысяч километров от ближайшего населенного пункта, где могли употреблять этот инсектицид (Тасмания или юг Аргентины).

Тропосфера - самый нижний слой атмосферы. В ней сосредоточено около 8/10 всей массы атмосферного воздуха. Температура воздуха быстро понижается с высотой вплоть до тропопаузы - верхней границы тропосферы. Над полюсами высота тропопаузы 9 км., над экватором 15 км. На уровне тропопаузы температура воздуха составляет -60?С. От тропопаузы начинается стратосфера, простирающаяся до высоты около 50 км. В этом слое температура воздуха понижается до минимального для атмосферы значения -85?С. Хотя озон встречается на всех высотах, но именно в стратосфере концентрация его наибольшая. Здесь он образует озонный экран. Максимальная плотность озона достигается на высоте около 30 км. в экваториальных районах и 18 км. - над полюсами. Озонный экран, поглощающий большую часть ультрафиолетовой солнечной радиации, сыграл главную роль в эволюции биосферы, поскольку его защитное действие предопределило заселение континентов живыми организмами.

Влияние загрязнения атмосферы на экосистемы

Особую опасность представляет истончение озонового экрана под воздействием хлорсодержащих органических веществ, поступающих в атмосферу из различных источников, и, в частности, при использовании аэрозолей (дезодорантов, лаков для волос и т.д.). Уже сейчас в результате усилившегося воздействия ультрафиолетового излучения возросло количество случаев раковых заболеваний.

Высвобождая в процессе горения разнообразного топлива громадное количество углекислого газа и повышая его содержание в атмосфере, человек способствует созданию «парникового эффекта», так как углекислый газ мешает отражению инфракрасных (тепловых) лучей от Земли обратно в Космос, что ведет к повышению температуры на ее поверхности. Результатом может стать резкое изменение всех климатических факторов, таяние вечных льдов, подъем воды в мировом океане, затопление густозаселенных побережий.

Этому процессу противостоит другой - загрязнение атмосферы сажей, пылью и другими веществами, которые задерживают проникновение как светового, так и теплового спектра солнечных лучей с такой силой, что в пору опасаться не «парникового», а «ледникового» эффекта.

Будущая эволюция климата Земли зависит от воздействия человека на атмосферу. Последнее остается двойственным, так как оно представлено, с одной стороны, нагревания нижних слоев тропосферы под влиянием выброса углекислого газа, с другой стороны, - их охлаждением под влиянием примесей, поступающих в тропосферу и стратосферу. Глобальная температура будет повышаться или понижаться в зависимости от того, чье влияние будет преобладать - углекислого газа или примесей искусственного происхождения (сажа, пыль и другие твердые взвешенные в воздухе частицы).

Большинство ученых (Митчелл, Разул, Шнейдер и д.р.) пришли к единому мнению о преобладающем влиянии примесей на глобальную температуру, начиная с 2000 года. Разул и Шнейдер предсказывают даже наступление нового ледникового периода в 21 веке, если цивилизация окажется неспособной в ближайшем будущем справиться с загрязнением атмосферы.

При сгорании любого ископаемого топлива в атмосферу, кроме углекислого газа попадают оксиды серы и азота. Последние образуют в атмосфере с водяным паром растворы кислот, проливаясь на Землю в виде кислотных дождей. Они губят все экосистемы биосферы: водоемы, леса, почвы, их живое население, отражается на здоровье людей, так как вытеснение кислотой из пород различных токсичных материалов - ртути, свинца и других материалов ведет к загрязнению ими питьевой воды, повышению их уровня в рыбе, потребляемой человеком. Трудно даже приблизительно определить весь экономический и экологический ущерб от этого процесса.

Загрязнение почв

Почва, т.е. поверхностный слой земной коры толщиной в несколько десятков сантиметров, обладающий плодородием, образуется из продуктов разрушения горных пород под влиянием климата и жизнедеятельности многих поколений растительных и животных организмов.

Почва выступает в роли посредника между атмосферой и гидросферой для всего количества любого загрязняющего вещества, выбрасываемого человеком в воздух. Поэтому прежде, чем рассматривать загрязнение гидросферы, необходимо изучить последствия загрязнения почвы. Очень часто загрязнения попадают в гидросферу через литосферу.

Все химикаты, используемые в сельском хозяйстве, можно разделить на минеральные вещества и синтезированные органические соединения. Последние ответственные за то, чтобы избытки отходов сельскохозяйственного происхождения, получаемые в процессе производства или потребления продукции земледелия и животноводства, больше не возвращались на поля, как это было в традиционном земледелии. Эти продукты больше не включаются в природные круговороты веществ, а выбрасываются на свалки, где в результате брожения выделяются токсичные серные и аммонийные соединения, которые обуславливают усиливающиеся загрязнения почв.

Широкое использование искусственных веществ (химических удобрений, пестицидов) ведут к необратимому загрязнению культивированных земель.

Химические удобрения вводят в почву с целью увеличения урожайности сельскохозяйственных культур. Вместе с урожаем изымаются из почвы питательные для растений элементы: азот, фосфор, калий и в меньшей степени сера, кальций, магний и др. микроэлементы. Следовательно, необходимо восстановить их потерю путем внесения в почву фосфатов, нитратов, солей калия и др. в количестве, эквивалентном изъятому с урожаем.

Наиболее часто используемыми химическими удобрениями принято считать: нитрат аммония, нитрат кальция, сульфат аммония и мочевину (последняя превращается в нитраты через посредство бактерий - нитрофикаторов, присутствующих в почве). Фосфор употребляется в виде суперфосфатов (растворимых ортофосфатов). Хлористый калий и сильвинит (двойной хлорид калия и натрия) входят в состав обычных калийных удобрений. С 1945 по 1965 гг. мировое потребление химических удобрений увеличилось в 6 раз. Кроме того, суперфосфаты содержат довольно высокий процент загрязняющих токсичных элементов: мышьяка, кадмия, хрома, меди, свинца, цинка. Многие из этих элементов мало подвижны в почве, где сосредоточены корневые системы растений, в течении многих десятилетий. Таким образом, происходит загрязнение ими сельскохозяйственных продуктов.

Поиски максимальной продуктивности земельных массивов приводят к перенасыщению почв химическими удобрениями. Это явление представляет собой новый фактор загрязнения сельскохозяйственных угодий, последствиями которого нельзя пренебречь.

В отличии от всех других загрязняющих веществ пестициды преднамеренно распыляют в естественной среде для уничтожения некоторых паразитов домашних животных или человека и используют в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями различных культур.

Современные пестициды, как правило, являются органическими синтезированными веществами. Их название произошло от английского слова pest, что означает «расхититель, пожиратель».

Пестициды делят на следующие категории: инсектициды, предназначенные для уничтожения вредных насекомых; фунгициды, служащие для уничтожения возбудителей гребных и бактериальных болезней растений; гербициды, позволяющие уничтожать сорняки; родентициды, употребляемые против грызунов; нематоциды, токсичные для червей, вызывающих болезни растений.

Повсеместное использование пестицидов началось в конце второй мировой войны. В 1939 году в Западной Европе было разработано два сильнодействующих инсектицида: ДДТ и ГХЦГ. Через 30 лет после открытия, ДДТ был запрещен. Инсектициды разделяют на три основные группы: минеральные вещества, инсектициды растительного происхождения и органические синтезированные вещества, которые в настоящее время употребляются чаще других.

Современные синтезированные инсектициды токсичны и способны вызвать быстрое отравление насекомых как полезных, так и вредных.

Фунгициды позволяют успешно бороться с возбудителями грибных и бактериальных болезней (ржавчина картофеля и винограда, головня на злаках и др.). Самые старые из известных фунгицидов - соли меди, сера, которые все чаще заменяются органическими соединениями. В настоящее время широко применяют различные ртутьсодержащие и мышьяксодержащие фунгициды, обладающих высокой токсичностью.

Из гербицидов наиболее распространены 2, 4-Д, 2, 4, 5-Т и симазин. Применение 2, 4-Д, 2, 4, 5-Т американской армией во Вьетнаме с целью уничтожения листвы имела 106 катастрофические последствия для фауны, флоры, а также привело к заражению населения.

Симазин используется для прополки кукурузы и других культур. Этот гербицид останавливает фотосинтез, и любое растение не способно фиксировать углекислый газ.

Пестицид, каким бы он ни был, неизбежно вызывает глубокие изменения всей экосистемы, в которую его внедрили. Его действие никогда не бывает однозначным, что вытекает из совокупности экологических свойств, присущим всем пестицидам:

Пестициды в большинстве случаев имеют широкий спектр токсичного воздействия как на виды растений, так и на виды животных. Название фунгициды, гербициды и другие не дают представления о реальном воздействии этих веществ, которое значительно шире.

Пестициды очень токсичны для всех животных.

Пестициды человек использует с целью уничтожения ограниченного числа организмов, составляющих максимум 0,5% общего числа видов, населяющих биосферу, сами же пестициды воздействуют на все живые организмы.

Как правило, используют значительно больше пестицидов, чем необходимо для уничтожения вредителя: преднамеренные излишки обработки полей объясняют "надежностью".

Площади, на которых распыляются пестициды, очень значительны, в Европе они исчисляются десятками миллионов гектаров.

Многие из этих веществ могут сохраняться в земле месяцами и в течение многих лет. Эта стабильность чревата различными отрицательными последствиями, связанными с загрязнениями различных экосистем. .

Пестициды распространяются далеко за пределы тех экосистем, где они применяются.

Высокая токсичность пестицидов приводит к загрязнению различной животной и растительной пищи.

Пестициды убивают не только насекомых- вредителей, но и в такой же степени насекомых-опылителей растений, без которых нет ни меда, ни урожая.

Все это побудило токсикологов, экологов, диетологов и агрономов разработать новые, биологические методы борьбы, при которых окружающая среда не загрязнялась бы токсичными веществами широкого спектра действия.

Основная задача при биологической борьбе - всеми средствами сокращать численность каждого вида вредителя, снижать рождаемость вредителя. В основе этой борьбы лежит принцип использования естественных врагов вредителей - паразитов и хищников - для увеличения роста смертности первых. В течение последнего десятилетия наметились новые пути развития биологической борьбы, направленные на уменьшение рождаемости вредных насекомых путем стерилизации особей. Стерильный индивидуум распространяет свое бесплодие в популяции, так как индуцирует его у своего партнера.

Общие понятия о загрязнении гидросферы

Загрязнение континентальных и океанических вод - это проблема наших дней. Водный кризис захватил промышленно развитые страны, развивающиеся примы с засушливым климатом, где сельскохозяйственное производство ограничено отсутствием влаги.

Многочисленны твердые загрязняющие вещества могут растворяться в воде или же во взвешенном состоянии переноситься на огромные расстояния от мест сброса. Вследствие гомогенности водной среды отравляющие вещества оказывают воздействие на все организмы, обитающие ниже по течению реки, а в некоторых случаях и в море, куда она впадает.

Другая особенность проблемы загрязнения вод состоит в том, что вода содержит относительно небольшое количество растворенного кислорода. С повышением температуры воды содержание кислорода в воде падает, а при одинаковой температуре оно значительно меньше в морской воде, чем в пресной. Кислород относится к лимитирующим факторам для большинства организмов как в пресных, так и в соленых водах. Факторы, сдерживающие развитие организмов из-за недостатка или их избытка по сравнению с потребностями называются лимитирующими,

Относительно низкое содержание кислорода в водной среде чревато опасными последствиями для фауны пресных и морских вод:

· пресноводные и морские животные для удовлетворения метаболических потребностей нуждаются в интенсивной циркуляции, которая обеспечивает жабрам контакт с огромным объемом воды, что необходимо для того, чтобы извлечь, достаточное количество кислорода. Это сильно увеличивает риск поглощения летальных (смертельных) доз того или иного токсичного вещества;

· морские животные могут ощущать недостаток кислорода, если под воздействием естественных или искусственных факторов температура воды повышается.

Температура служит ограничивающим биотическим фактором в океанических и континентальных водах, так как большинство живущих в них организмов -стенотермные, то есть могут переносить лишь небольшие колебания температур. В связи с этим колебания температуры, выходящие за пределы естественных, могут вызвать катастрофические потрясения в биоценозах водной среды. В частности, тепловое загрязнение, возникающее вследствие сброса теплых вод в реки электростанциями является в настоящее время одной из основных проблем загрязнения окружающей среды.

Среди многочисленных факторов, способствующих загрязнению воды, различают следующие: биологические (микроорганизмы и способные к брожению органические вещества), химические (всевозможные токсичные или изменяющие состав водной среды вещества) и физические (нагревание, радиоактивность).

Биологическое загрязнение вод

Биологическое загрязнение приводит к сильному бактериологическому загрязнению воды, способствует распространению таких серьезных патогенных заболеваний, как тиф, дизентерия, кишечные инфекции.

Кроме городских сточных вод биологическому загрязнению способствуют стоки вод различных предприятий пищевой промышленности: боен, молочных и сахарных заводов, сыроварен и т.д. По загрязнению вод органикой целлюлозно-бумажная промышленность стоит на одном из первых мест, так как ЦБК выбрасывает воды, богатые органическими соединениями (глюцидами), обладающими способностями к быстрому брожению. ЦБК средней мощности загрязняет воду в той же степени, что и город с населением 6500/000 жителей.

Органическое загрязнение обычно оценивают биохимическим потреблением кислорода за 5 сут. (БПК₅). Это позволяет определить, какое количество кислорода необходимо микроорганизмам-деструкторам для полной минерализации всего нестойкого органического вещества, содержащеюся в одном литре загрязненной воды. В Париже БПК₅ равно 70г/сут. на одного человека. Вода считается питьевой, если количество содержащихся в ней органических веществ соответствует БПК₅ менее 5мг/л, что намного превышает величину БПК ₅ для Парижа.

Химическое загрязнение вод

Химическое загрязнение вод происходит в результате выброса в них различных химических соединений, используемых в сельском хозяйстве, а также отходов металлургических и других предприятий.

Такими соединениями, обладающими высокой токсичностью, являются производные ртути. Мировое производство ртути в настоящее время превысило 10 тыс. в год. Кроме того, еще 3 тыс. т ежегодно выбрасывается в атмосферу при сжигании ископаемого топлива. Около 20% этого количества находит применение в промышленности, остальное же попадает в окружающую среду. Ежегодно реки приносят в океан около 5 тыс. т ртути.

Загрязнение континентальных и океанических вод углеводородами - одно из основных видов загрязнения гидросферы современным цивилизованным обществом. Тот факт, что существуют районы моря, где нефтеналивным судам разрешено сбрасывать воду после промывки танков, попирает все основы океанографии. В некоторых районах морей, несмотря на обилие рыбы, ее невозможно употреблять в пищу из-за неприятного вкуса, который придает ей нефть. Основным источником загрязнений океанической среды является перевозка нефти, аварии на подводных скважинах и на нефтеналивных судах, а также на нефтяных разработках в открытом море.

Существует мнение различных авторов, что в Мировой океан из различных источников в результате деятельности человека попадает 5 млн. т нефти в год. Поскольку одна тонна нефти, растекаясь по поверхности океана, занимает площадь 12 кв. км, то, вероятно, Мировой океан уже давно покрылся тонкой поверхностной пленкой углеводородов.

Континентальные воды также сильно загрязнены углеводородами. Это сточные воды нефтеперегонных заводов, смена масла в автомобилях, утечки масла из картеров, расплескивание бензина и дизельного топлива в момент заправки автомобилей. Кроме того, бензин придает воде неприятный вкус даже при очень малых концентрациях в ней. Следует отметить, что воды всех рек в промышленных странах содержат углеводороды. Так, Рейн в своем нижнем течении переносит около 12 тыс. нефтепродуктов в день. Очередным загрязнителем являются моющие средства, которые содержат малотоксичные поверхностно-активные вещества, и отбеливающие реагенты (персульфаты, пербораты).

Производство и использование пестицидов - опасный источник загрязнения морских и континентальных вод. Другой источник загрязнения прибрежных и континентальных вод - обработка инсектицидами огромных площадей, осуществляемая с воздуха. Обработка пестицидами лесов и сельскохозяйственных культур приводит к накоплению в поверхностных слоях почв токсичных веществ, которые попадают в водоносный слой или выносятся в реки дождевой эрозией. Так, хлорорганические пестициды были обнаружены в морских организмах, потому что первые поглощаются нефтью, которой загрязнены реки, моря и океаны.

Технологическая цивилизация иногда намеренно, иногда случайно, выбрасывает в воды огромное количество синтетических веществ. В нити дни пластмассы являются одним из самых распространенных веществ, загрязняющих моря. Сознательный сброс в океан высокотоксичных отходов можно объяснить тем, что от них хотят избавиться. Конечно, эти отходы помещены в герметические контейнеры, но агрессивная соленая вода рано или поздно растворит материал контейнером и произойдет загрязнение океана. Так, 18 августа 1970 г. американские солдаты опустили на дно Мексиканского залива контейнеры, содержащие много миллионом тонн боевого отравляющего вещества сарина - сверхтоксичного сложного фосфорного эфира.

Экологические последствия химического загрязнения природных вод.

При органическом загрязнении вод никакой вид рыб, никакое беспозвоночное, обитаюшее в чистой воде, не могут выжить в зараженной зоне.

Для озёр, болот, прудов и других стоячих вод характерны большая площадь поверхности и небольшая скорость движения воды. В связи с этим смена воды и её обогащение кислородом происходит очень медленно. Все озера неизбежно исчезнут с лица Земли вследствие поступления продуктов эрозии, приносимых впадающими в них реками, а также бурного развития водной растительности и других организмов, населяющих данный фитоценоз. Этот процесс, называемый эвтрофикацией, происходит в результате повышения продуктивности вод озера и спит с увеличением количества питательных веществ, в частности; фосфатов и нитратов, что способствует быстрому росту водных растений. При этом постепенно ускоряется седиментация, т.е. озеро уменьшается, затягивается илом и постепенно исчезает.

В естественных условиях эвтрофикациня происходит очень медленно, в масштабе геологических эпох.

Процесс обогащения озёрных или морских вод минеральными солями также называется эвтрофикацией.

Человек ускоряет эвтрофикацию, так как сбрасывает в озёра и закрытые моря значительные количества органических веществ, способных к брожению, а также сточных вод, богатых фосфатами (моющие средства, химические удобрения) и нитратами.

Сегодня все большие альпийские озёра и самая большая в мире экосистема Великих озёр находится под угрозой или на пути к ускоренной эвтрофикации. В состоянии полной эвтрофикации озёрная система, так же как и текучие воды, перенасыщенные органическими отходами, уже полностью заражены и совершенно безжизненны.

При химическом загрязнении многие пестициды, в частности, все гербициды, токсичны для фитопланктона, что приводит к снижению численности рыб. Кроме того, рыбы чувствительны к некоторым загрязняющим веществам, что связано с особенностями их жаберной циркуляции. Пестициды (даже такие безопасные, как аминотриазол) воздействуют на гонады и стерилизуют животных.

При загрязнении морских вод углеводородами (нефть) часто гибнет икра и молодь. При использовании моющих средств для очистки морских вод от нефти гибнут моллюски, мидии, крабы, креветки и другие обитатели моря.

В настоящее время Ла-Манш, Северное и Средиземное моря, всё в большей степени загрязняемые нефтью, постепенно становятся непригодными для обитания морских птиц. Так, было подсчитано, что ежегодно от 20000 до 50000 особей, представителей 50 видов (из которых 14 утиных), населяющих побережье Нидерландов, становятся жертвами этого катастрофического загрязнения. В Великобритании погибают до 250 000 птиц в год.

После улетучивания более лёгких фракций, оставшаяся в море нефть подвергнется разложению с помощью бактерий (биодеградация). Различные виды углеводородов, входящие в состав нефти, разлагаются аэробными бактериями и грибами, которые еще полностью не изучены. Эта микрофлора разлагает нефть на составляющие, токсичность которых ещё почти не исследована. Процесс бактериального воздействия длится в течение многих недель или месяцев, затем образуются частицы битума, диаметром до 10 см, дрейфующие по поверхности океана.

Прожорливые морские рыбы заглатывают эти комочки, накапливают значительные количества токсичных веществ, которые, продвигаясь по пищевым цепям, могут дойти до человека и отравить его.

На примере загрязнения ртутью видно, какие ужасные последствия имеет пагубное влияние современной технологии на биосферу. Вследствие того, что некоторые производные ртути распадаются с помощью бактерий (биодеградируют) очень слабо, ртуть имеет тенденцию накапливаться в организмах живых существ.

В работах японских и шведских учёных было доказано, что ртуть, сбрасываемая в воду в составе органических или минеральных соединений, неизбежно превращается в метил-ртуть, которая очень слабо биодеградирует. Последняя накапливается в различных организмах, входящих в зараженную трофическую цепь. Человека, отравленного метил - ртутью, поражает болезнь Миномата по названию японской бухты, воды которой содержали это соединение, впервые обнаруженное в 1953 г. Тогда эта болезнь поразила рыбаков, основную пищу которых составляли продукты моря.

Для этой болезни характерны нарушение сенсорной и моторной функций организма, сужение поля зрения, ухудшение слуха, потеря разума. Из 116 зарегистрированных случаев 43 имели летальный исход.

Загрязнение озёрных и морских экосистем метил - ртутью отмечается не только в Японии, но и на северном побережье Средиземноморья, в прибрежных районах Нидерландов и Швеции, а также в некоторых канадских озёрах. Причём, источник неизвестен.

Кроме того, загрязнение ртутью, как и любое загрязнение, имеет множество опасных последствий. Так, у не болевших женщин из района Миномата родились дети с серьёзными врожденными аномалиями.

Лекция №7

Тепловое загрязнение

При тепловом загрязнении вод (выбросе тепла в окружающую среду) происходит разрушение биоценозов. Тепловое загрязнение возникает, когда ископаемое топливо и расщепление урана добавляют тепло к солнечной радиации. Основной источник теплового загрязнения вод - производство электроэнергии, хотя в некоторых районах сталелитейные и другие отрасли тяжёлой промышленности также могут в значительной степени способствовать этому загрязнению.

При этом происходит сброс тёплой воды в пресноводную или морскую среду, и повышается температура природных вод.

Повышение температуры способствует гибели водорослей с высокими пищевыми свойствами (для беспозвоночных и позвоночных) и увеличению водорослей с низкими аналогичными свойствами, поэтому видовое разнообразие и количество беспозвоночных сокращается.

К беспозвоночным относятся вислоногие рачки (дафнии), как пресноводные, так и морские, гаммариды, последние составляют важную часть питания молоди лососевых рыб, личинки различных насекомых (пища для рыб), моллюски и другие. Морские беспозвоночные более уязвимых к тепловому загрязнению. Причем, фауна теплых морей более чувствительна, чем фауна холодных, так как обитатели теплых морей живут при температурах, близких к максимуму, который они могут выдержать в отличие от представителей фауны морей высоких или умеренных широт.

Что касается рыб, то для них существует верхняя летальная температура (ВЛТ). Это тот предел, выше которого рыбы гибнут от избытка тепла. По аналогии существует и нижняя летальная температура (НЛТ). Допустимый интервал лежит между этими границами. Причем НЛТ и ВЛТ можно повысить, если рыбы будут находиться в течение некоторого времени под воздействием определенной температуры, называемой температурой акклиматизации. Так для плотвы ВЛТ повышается на один градус каждый раз, когда температура акклиматизации, увеличивается на три градуса. Однако существует предел температуры, выше которого акклиматизация невозможна, то есть происходит мгновенная смерть. Предел температуры акклиматизации для плотвы равен 34" С, для кеты 23,9° С. Вообще говоря, лососевые - стенотермные рыбы: они могут приспособиться только к небольшим изменениям температуры.

Изучение теплового загрязнения континентальных вод показывает, что изобилие рыб наблюдается при благоприятной температуре для каждого вида и количество рыбы уменьшается при температуре выше благоприятной. Причем ВЛТ у икринок и молоди рыб ниже, чем у взрослых особей, поэтому тепловое загрязнение губительно для нерестилищ рыб, особенно лососевых.

Для костных рыб, имеющих большое промысловое значение, любое повышение температуры чревато понижением пищевого ритма, более медленным приростом массы, более ранним половым созреванием и началом вымета икры, а также меньшей продолжительностью жизни. Так, верхняя граница долголетия лещей из озер Карелии 18 лет, тогда как в Каспийском море продолжительность жизни индивидуумов более 10 лет- редкое исключение.

Изучение влияния теплового загрязнения на рыб заставило службы защиты окружающей среды различных стран определить нормы температуры для континентальных вод. Эти органы призывают ограничить повышение температуры зимой до 5-6°С, ибо любое сильное повышение температуры отрицательно влияет на лососевых и других видов рыб. В США максимальная температура воды зимой не должна превышать 15°С, а летом 21°С градус для лососевых и 26°С для карповых,

Наконец, гибель большего числа рыб может быть связана с механическим шоком, вызванным сбросом вод, охлаждающих системы атомных и тепловых электростанций. Организмы, обитающие в районе станции, смываются и наталкиваются на решетки и другие заградительные устройства станции или внутренние узлы цепи охлаждения.

Радиоактивное загрязнение

Радиоактивное загрязнение происходит вследствие радиоактивного излучения, состоящего из элементарных частиц (электроны, нейтроны, космические лучи)_; или ионизированных атомов гелия (альфа-лучи). Это излучение невидимо и перемешается с высокой скоростью. Глубина проникновения излучения в живой организм зависит от его вида. Так альфа лучи задерживаются очень гонким поверхностным слоем кожи. Нейтронное излучение гораздо опаснее предыдущею. Это объясняется большим размером нейтронов и отсутствием у них электрического заряда, а также их большой кинетической энергией. Они могут вызвать нарушения в клетках живых организмов, например, оторвать часть цепочки нуклеиновой кислоты. Однако нейтроны не представляют особой опасности с экологической точки зрения, так как они встречаются лишь в непосредственной близости от реакторов или же образуются в момент ядерного взрыва. Электроны (бета-лучи) могу! проникнуть на несколько сантиметров в глубь тканей; гамма-лучи и космические лучи могут пройти сквозь многометровые свинцовые стены, гамма-лучи - электромагнитные волны очень высокой энергии.

Рассматриваемое радиоактивное излучение является ионизирующим, так как обладает свойством вырывать электроны с внешних орбит атомов, то есть ионизировать их. Образующиеся при этом ионы химически очень активны. Они способны изменять различные свойства живой клетки и приводить ее к гибели или к мутации (это изменение в наследственном аппарате организма).

С давних пор все живое на Земле приспособилось к естественной радиоактивности, особенно когда жизнь начала зарождаться на континентах, так как здесь не было того защитного слоя, каким является вода.

Во всех естественных биотопах всегда наблюдается определенный уровень радиации, даже при отсутствии каких-либо технических источников. Радиация обнаружена как на поверхности континентов, так и в морях. Она поступает из литосферы и космического пространства. Земная поверхность служит источником гамма-лучей, так как она содержит природные радиоактивные элементы: уран, торий, радий, актиний, и другие элементы. Кроме того, в почве и воде встречаются два радиоактивных элемента: калий -40 и углерод -14, которые активно внедряются в живой организм. В атмосфере встречается радон - инертный газ, являющийся продуктом распили радия.

Вся биосфера подвергается воздействию излучений, приходящих из космоса: солнечного ветра и космических лучей высокой энергии. Солнечный ветер - это поток протонов и электронов из солнечной короны. Космические лучи не только воздействуют на живые организмы, но и являются причиной образования трития (водорода-3) и углерода -14 в верхней атмосфере в результате столкновения некоторых частиц с ядрами азота.

Все живые существа в естественных условиях находятся под постоянным воздействием различных внешних и внутренних источников радиоактивных излучений. Это воздействие, как правило, является очень слабым. При этом на достаточно высоких уровнях радиации адаптацию людей к ним следует считать удовлетворительной.

Использование ядерных веществ для производства электрической энергии, применение радиоактивных элементов в промышленности и в научных исследованиях, систематическое и нередко излишнее употребление их в медицинской практике, длительное пребывание у экранов телевизоров ощутимо увеличивает количество источников радиации, которой подвергается современный человек.

Прежде, чем рассматривать экологические последствия радиоактивного загрязнения, уточним некоторые понятия радиобиологии.

Некоторые изотопы радиоактивны. Изотопы - элементы с одинаковым порядковым номером, но с разной атомной массой. Так как изотопы имеют одинаковое число электронов, химические свойства их одни и те же.

Явление радиоактивности заключается в самопроизвольном распаде одного химического элемента и превращении его в элемент с другим порядковым номером. Это превращение сопровождается излучением, зависящим от свойств элемента.

При распаде радиоактивного вещества его масса с течением времени уменьшается. Время, в течение которого масса радиоизотопа уменьшается вдвое, называется периодом полураспада. Например, для аргона-41 он составляет 2 ч, для урана^-238 - 4,5 млрд. лет.

Из сказанного вытекает экологическое следствие: единственная практическая возможность уничтожить радиоактивность - это предоставить радиоактивному веществу возможность распадаться самопроизвольно, I. е. борьба с радиоактивным загрязнением может носить предупредительный характер. Не существует никаких способов биологического разложения и нет никакого другого механизма, который позволил бы исключить этот вид заражения окружающей среды.

Экологическое значение разных радиоактивных изотопов различно. Радиоактивные вещества с коротким периодом полураспада (менее 2 сут.) не представляют большой опасности (исключая случаи взрывов), так как они сохраняют высокий уровень радиации в зараженном биотопе непродолжительное время.

Вещества с очень длинным периодом полураспада, например уран -238. также почти безопасны, поскольку они в единицу времени испускают очень слабое излучение. Таким образом, наиболее опасными радиоактивными элементами являются те, у которых период полураспада изменяется от нескольких недель и месяцев до нескольких лет. Этого времени достаточно для того, чтобы эти элементы смогли проникнуть в различные организмы и накопиться в пищевых цепях. Воздействие изотопов простых элементов, которые являются основными слагаемыми живого вещества (углерод-14, фосфор-32, кальиий-45, тритий, сера-35 и т.д.), оказывается более опасными для биоценоза, чем воздействие редко встречающихся веществ, слабо или совсем не поглощаемых организмами.

Стронций-90 и цезий-138, сходные по своим химическим свойствам с кальцием и калием - наиболее опасные радиоактивные остатки, которые могут отравить окружающую среду, поступив в нее в виде отходов атомной промышленности или при выпадении радиоактивных осадков, после ядерного взрыва в атмосфере. Стронций вследствие своего сходства с кальцием легко проникает в костную ткань позвоночных, цезий накапливается в мускулах, замещая калий. Так как период полураспада этих элементов соответственно равен 28 и 33 годам, они остаются в зараженном организме и могут накапливаться в количествах, способных причинить ущерб здоровью.

Степень опасности радиоактивного вещества зависит от энергии испускаемых им частиц. Так, альфа-лучи, испускаемые нлутонием-239, слабо проникают в глубь тела, но обладают очень высокой энергией - свыше 3 Мэв. Вследствие этого каждая альфа-частица способна ионизировать до 100000 молекул. Обладающие высокой энергией бета-частицы (более 1 Мэв) могут ионизировать лишь_:6300 молекул.

Для сравнения степени заражения различных биоценозов и количества радиации, полученной каждым организмом, используют различные единицы радиоактивности:

1 кюри - излучение, возникающее при распаде 3,7*10¹⁰ атомов в 1 с, что равно количеству энергии, испускаемой 1г радия за 1с. Это весьма большая величина, поэтому используют микрокюри (1 МкК =10⁹ К) и нанокюри (1 Нн=10¹² Кюри). В радиационной биологии основная единица - рад. Это поглощенная доза излучения, при которой 1 гр. живого вещества поглощает энергию, равную 10Дж. Единица производная от рада, - бэр. Он учитывает поправку, называемую относительной биологической эффективностью (ОБЭ). ОБЭ отражает зависимость поглощения ионизирующей радиации от ее физической природы. При равной начальной энергии альфа а, бета/ гамма/ и реи истин кис лучи, а также нейтроны оказывают различное воздействие. Так, при прочих равных условиях ОБЭ медленных нейтронов в 10 раз больше ОБЭ гамма у или рентгеновских лучей с энергией 320 Кэв. Допустимая доза излучения для населения -0,15 б 1Р/М1Д.

...