Размещено на http://allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Глава 5. Загрязнения окружающей среды

Загрязнение природной среды - это внесение в ту или иную экологическую систему не свойственных ей живых или неживых компонентов или структурных изменений, прерывающих круговорот веществ, их ассимиляцию, в результате чего данная система разрушается.

Загрязнение природной среды бывает в результате естественных причин и в результате хозяйственной деятельности.

В первом случае это наводнение, извержения вулканов, пожары лесов, селевые потоки и т.д. Во втором, намеренное и непреднамеренное изменение природной среды, вследствие хозяйственной деятельности (строительство городов, дорог, предприятий по добыче полезных ископаемых и т.п.) с совокупным воздействием нескольких загрязнителей (химических, физических, биологических и т.д.).

Различают следующие виды загрязнений экологических систем:

1. Ингредиентное загрязнение:

а) неорганическое (минеральное), например, продукты сгорания топлива, отходы химических производств и т.д.,

б) органическое, например, пестициды и т.д.

2. Энергетическое - шумовое, тепловое, световое, радиационное, электромагнитное загрязнения;

3. Биоценотическое - различные формы дискомфорта, нарушение баланса популяций живых организмов;

4. Деструктивное загрязнение - вырубка лесов, эрозия почв, зарегулирование рек и превращение проточных водоемов в застойные, урбанизация населенных пунктов, дорожное строительство, степные и т.п.

Загрязнения, обусловленные хозяйственной деятельностью человека классифицируют по следующим видам: механическое, химическое, биологическое, осмофорное, шумовое, вибрационное, электромагнитное, тепловое, световое и радиоактивное.

5.1 Механическое загрязнение

К этому виду загрязнения относятся в основном отходы человеческой деятельности: строительный и бытовой мусор, полимерные материалы в виде разного вида упаковок и тары, твердые отходы промышленного производства (стружка, окалина, опилки и т.п.), отработанные автопокрышки, автомобили, механизмы, устройства, жидкие стоки, аэрозоли и т.д.

Все отходы делятся на отходы производства и отходы потребления.

По агрегатному состоянию отходы делятся на жидкие, твердые и газообразные.

По степени влияния на окружающую среду отходы условно подразделяют на безвредные для живых организмов, в том числе и человека и токсичные, т.е. вредные.

Жизнедеятельность городов, особенно крупных, сел, рабочих поселков, деревень, садово-огородных обществ порождает огромное количество свалок. Твердые бытовые отходы (ТБО) и их переработка головная боль администраций всех уровней.

В развитых странах до 7 % промышленных отходов поступает на вторичное использование, в России об этом только думают. Ежегодный мировой прирост ТБО составляет ~ 3 % , а в некоторых странах, например, США, Японии, Китае он достигает 10 %.

Основными способами переработки ТБО являются захоронение и термический метод (пока только сжигание). Кроме того, в мировой практике применяют биотехнологические методы как с получением биогаза, так и удобрений или биотоплива. При этом степень сортировки (предварительной и конечной) с получением ценных продуктов для вторичного использования является основным экономическим показателем при оценке переработки ТБО для быстрой окупаемости строительства предприятий по их утилизации.

Мировой опыт показывает, что только Франция и Япония широко используют сжигание, остальные - большой частью полигоны. Конечно, сжигание уменьшает объемы отходов почти в 10 раз, дает дополнительную энергию, но производит золу, которую необходимо захоранивать, что также является загрязнением среды.

Для захоронения 1 тонны ТБО требуется порядка 3 м² площади, поэтому свалки занимают во всем мире сотни тысяч гектаров земель, практически выведенных из сельскохозяйственного оборота.

Полигоны для захоронения ТБО являются строительными сооружениями, которые проектируют и строят как ответственные объекты, обеспечивающие инженерную защиту окружающей среды от загрязнений даже в аварийных ситуациях.

Современные полигоны ТБО после рекультивации позволяют возводить на них даже зоны отдыха, как это сделано, например, в Барселоне. В последние после сортировки во многих странах производят прессование отходов, что резко уменьшает объем ТБО и повышает вместимость полигонов. Экономический анализ показал, что мусоросжигательные заводы более капиталоемкие, чем полигоны ТБО, особенно, если на полигоны поступает зола с этих заводов.

Ученые многих стран считают, что для решения проблемы наиболее перспективными методами утилизации ТБО после их сортировки являются биотехнические методы.

Огромную проблему составляют промышленные отходы производства - остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, образовавшиеся при производстве продукции или выполнении работ и утратившие полностью или частично исходные потребительские свойства. Они могут быть безвозвратными (технологические потери: улетучивание, угар, усушка) и возвратными. К ним следует причислить отходы производственного потребления - непригодные для дальнейшего использования по прямому назначению и «списанные» в установленном порядке машины, оборудование, инструменты, приборы и т.п. Они могут быть сельскохозяйственными, бытовыми и другими. К обоим этим видам отходов нужно отнести медикаментозные, химические, высокотоксичные и радиоактивные.

В России отходы по степени вредности и опасности делятся на 4 класса, в европейских странах принято деление на три класса.

К опасным (токсичным) отходам относят отходы, способные вызывать отравления или иное поражение живых существ. Это прежде всего неиспользованные ядохимикаты сельскохозяйственного назначения, промышленные канцерогены и мутагены. В США даже среди ТБО около 40 % относят к особо опасным, в Венгрии - 34 %, во Франции - 6 %, в Италии и Японии всего - 0,3 %. В России выделяют из ТБО 10 % особо опасных.

Основная часть опасных отходов складируется или захоранивается, в том числе и затапливается в море. Обезвреживанию с предварительной обработкой, сжиганию и вторичной переработке подвергается наибольшая часть опасных отходов.

До принятия Конвенции о запрещении захоронения радиоактивных отходов в морях и океанах западноевропейскими странами в океанских водах было затоплено более 35 млн. ГБк радиоактивных отходов в контейнерах, основная часть этого количества приходится на долю Великобритании - 76 %.

В настоящее время страны Европы производят захоронение высокотоксичных и радиоактивных отходов в подземном пространстве. В Германии, например, высокоактивные отходы помещают в соляной купол, расположенный вблизи Ганновера.

Недостаточное внимание в России, а также в странах, где высокий уровень использования агротехники, уделяется вопросам обезвреживанию пришедших в негодность десятков тысяч тонн пестицидов, инсектицидов, гербицидов и т.п.

В регионах и городах с развитой системой предприятий и учреждений медицинского профиля накапливаются чрезвычайно сложные по составу отходы, относящиеся к классам опасных отходов. Сложность обращения с «медикаментозными» и «больничными» отходами заключается в том, что в них наряду с огромным числом химических соединений сложных структур, обладающих эффектом суммации, входят биологические объекты, в том числе инфекционные. Это затрудняет, а иногда делает невозможным сортировку отходов. Неорганизованное складирование, спорадическое сжигание на свалках (полигонах) таких отходов сопровождается образованием вторичных токсикантов, которые могут быть гораздо опаснее исходных соединений (полихлорвиниловые бифенилы, диоксины, бензофураны и др.).

5.2 Химическое загрязнение

Химическое загрязнение - формируется в результате изменения естественных химических свойств окружающей среды при поступлении в нее способных к реакциям химических веществ, не свойственных ей, а также в концентрациях, превышающих фоновые. Наиболее массовыми химическими загрязнителями являются оксиды углерода (СО_х), серы (SО_х), азота (NО_х), углеводороды (С_хН_y), соли кислот и щелочей, соединения серы, фтора, фосфора, фенолы и др.

Химические загрязнители по характеру своего воздействия на здоровье людей делятся на следующие группы: токсические, раздражающие, сенсибилизирующие, канцерогенные, мутагенные, влияющие на репродуктивную функцию. В организм человека загрязнители проникают через кожу, слизистые оболочки, органы дыхания, желудочно-кишечный тракт. В настоящее время известно > 3 млн. химических соединений, ежегодно синтезируется более 100000 новых веществ, в результате этого человечество находится под угрозой ~ 50000 химических соединений разного класса, не свойственных естественным условиям окружающей среды.

Один из разделов учения об охране окружающей среды от химического загрязнения - экологическая химия, которая изучает химические процессы, влияющие на состояние и свойства окружающей среды - атмосферы, гидросферы и почвы.

Задачи экологической химии:

- изучение возможностей снижения уровня химического загрязнения объектов окружающей среды опасными для экосистемы загрязняющими веществами;

- совершенствование технологических процессов переработки сырья и очистки отходов;

- прогнозирование поведения химического загрязнения под влиянием различных природных факторов и антропогенных воздействий;

- разработка способов управления состоянием природной среды.

Для решения этих задач необходимо решить проблемы токсичности того или иного вещества, поступающего в окружающую среду, миграции и трансформации веществ под влиянием природных факторов, оценивать скорость трансформации загрязняющих веществ в зависимости от факторов среды.

Все химические соединения, повышенное содержание которых в биосфере и ее компонентах вызывает негативную токсико-экологическую ситуацию, принято называть поллютантами. Загрязняющие химические вещества подразделяются на твердые, жидкие и газообразные.

Твердые загрязняющие вещества в зависимости от размера частиц составляют следующий ряд: обычные макрочастицы сажа пыль летучая зола дым. Эти вещества, за исключением макрочастиц, рассеяны в сплошном потоке газовой или жидкой среды.

Жидкие и газообразные загрязняющие вещества по размеру частиц не подразделяют.

5.2.1 Химическое загрязнение атмосферы

При воздействии на живое вещество особую опасность представляют загрязняющие вещества, оказывающие мутагенное влияние, результатом которого могут быть нарушения в системе воспроизводства потомства, и канцерогенное, обуславливающее развитие злокачественных новообразований.

Для каждого конкретного типа предприятия можно составить список поллютантов, поступающих в окружающую среду:

химические заводы: аммиак, сероводород, сернистый газ, фосфорный ангидрид, фтористые соединения, оксиды азота, хлор, пары кислот, предельные и непредельные углеводороды, всевозможные продукты сгорания отходов;

автотранспорт: азот, оксид и диоксид углерода, оксиды азота, углеводороды, альдегиды, сажа, бензопирен, тяжелые металлы;

предприятия цветной металлургии: ионы тяжелых металлов, мышьяка, фтора, сурьмы, остатка флотоагентов (цианиды, ксантогенаты, нефтепродукты), сульфаты, хлориды, оксиды серы, азота;

нефтеперерабатывающие предприятия (при разрывах нефтепроводов, авариях скважин): оксид углерода, диоксид серы, сероводород, оксиды азота, углеводороды, фенол, аммиак, минеральные соли.

В качестве наиболее опасных веществ, загрязняющих окружающую среду (по согласованию стран, участвующих в мероприятиях ООН по улучшению и охране окружающей среды), выделяют:

сернистый газ (SО₂);

взвешенные частицы;

оксид и диоксид углерода (СО и СО₂);

оксиды азота (N₂O, NO, NO₂ );

фотоокислители и реакционно-способные углеводороды;

ртуть (Hg);

свинец (Pв);

кадмий (Cd);

хлорированные органические соединения (ДДТ - дихлордифенил трихлорэтан, ПХБ - полихлорбифенилы);

нефть;

микотоксины;

нитраты (NO₃-), нитриты (NO₂-), нитрозамины;

аммиак (NH₃);

отдельные микробные загрязняющие вещества;

радиоактивные вещества.

5.2.2 Химическое загрязнение вод

Загрязняющие химические вещества, поступая в природные воды, вызывают:

изменение химических свойств воды (нарушение первоначальной прозрачности и окраски, появление неприятного запаха и привкуса);

изменение количества и состава уже присутствующих вредных веществ;

сокращение количества растворенного кислорода;

появление новых видов бактерий, в том числе и болезнетворных;

появление плавающих веществ на поверхности воды и отложений на дне.

В результате химического загрязнения такие воды уже непригодны для питья, купания, водного спорта и других нужд. Особенно это пагубно влияет на рыб, водоплавающих птиц, животных и другие организмы.

На качество и количество воды в водоемах оказывает влияние:

миграция химических загрязнений из атмосферы;

поверхностный сток (дождевые и талые воды);

поступление загрязняющих веществ с бытовыми, промышленными и сельскохозяйственными стоками.

Ежегодно отраслями промышленности в воды гидросферы сбрасывается более 7 млрд. м³ токсичных сточных вод, под действием которых гибнут большие количества животных, рыб, птиц и даже людей.

5.2.3 Химическое загрязнение почв

По своему положению и свойствам почва фактически является конечным местом сосредоточения всех природных и антропогенных загрязнений. Накопление загрязняющих веществ в почве происходит в результате:

непосредственного внесения в почву или на нее удобрений, пестицидов;

поступления из атмосферы аэрозолей тяжелых металлов, радионуклидов, летучей золы, газов и т.д.;

поступление загрязнителей в почву с поверхностными стоками;

выпадение загрязнителей с атмосферными осадками.

Применение минеральных удобрений приводит к высоким содержаниям в почве азота в нитратных и аммиачных соединениях, ионов хлора, фосфора. При поливах сточными водами в почву попадают патогенные микроорганизмы, личинки гельминтов, канцерогенные вещества.

Сера - необходимый для живых организмов и растений элемент. Она попадает в окружающую среду при вулканической деятельности; окислении сероводорода, поступающего в результате жизнедеятельности бактерий-десульфуризаторов; при окислении с поверхности рудных месторождений.

Присутствие оксидов серы в атмосфере оказывает негативное воздействие на жизнедеятельность животных и растений: сера взаимодействует с кислородом воздуха с образованием SО₃ и в конечном счете Н₂SО₄. Выброс техногенного сернистого газа в атмосферу составляет 30% общего поступления серы в атмосферу.

В промышленных районах ее выпадает до 20-30 кг/га ежегодно (в форме SО₂). На предприятиях химической и нефтехимической промышленности образовывается огромное количество отходов - шламы, отработанные соляная и серная кислоты, лигнин, фосфогипс, ртутьсодержащие соединения серы, различные отходы производств кальцинированной соды, изношенные шины и другие резиносодержащие отходы. Из них используется только половина, а остальные отходы либо складируют в специально отведенных местах, либо уничтожают и вывозят на свалки. загрязнение атмосфера пестицид нефть

Хлор в почвах. Практически все встречающиеся в почвах хлориды - NaCl, caCl₂, KCl, MgCl₂ - легкорастворимые. Растворимы и хлориды большинства микроэлементов, за исключением хлорида серебра и хлорида ртути. Миграция и накопление соединений хлора зависят преимущественно от температурного и водного режимов территории. Максимальное накопление характерно для бессточных впадин аридных районов. Негативные экологические последствия избыточного содержания хлоридов в почве возможны в виде ухудшения физико-химических свойств почв, а также загрязнения грунтовых и поверхностных вод.

Фтор в почвах. Главные источники фтора в окружающей среде, в том числе в почве, следующие:

разрушающие горные породы, содержащие в среднем 0,03 % F и их минералы;

вулканические газы;

газопылевые выбросы предприятий по выпуску алюминия, стали, стекла, фосфорных солей.

В составе выбросов содержатся NaF, KF, NaAlF₄, Na₃Al₃F₆, Na₃Al₃F₄, AlF₃, CaF₂, HF, SiF₄. среднее количество фтора в почвах - 320 мг/кг, но для большинства почв эта цифра составляет 150-400 мг/кг. При содержании фтора в питьевой воде выше ПДК (1,2 мг/л) наступает поражение зубов «пятнистой эмалью», а при содержании в почве более 0,05 % и в воде - свыше 0,5 мг/л фтора - возникает эндемический флюороз.

Фосфор в почвах. Это обязательный химический элемент в почвах, необходимый для нормальной деятельности живых организмов.

К природным источникам фосфора относятся магматические породы (габбо, андезиты, сиениты), при выветривании которых фосфор поступает в биосферу, а также осадочные породы типа апатитов, фосфоритов и т.п. кроме того, фосфор попадает в биосферу с космической пылью и метеоритами.

Значительные количества фосфорных соединений вводят в состав моющих средств - стиральные порошки содержат 10-12 % пирофосфата калия. Фосфор входит в состав инсектицидов (хлорофос). С промышленными и бытовыми сточными водами техногенные соединения фосфора могут поступать в почвы и почвенно-грунтовые воды.

В последнее время явно обозначился и сформировался новый процесс антропогенного происхождения - фосфатизация суши, или возрастание общего содержания соединений фосфора в окружающей среде. В почвах наиболее часто встречаются следующие минеральные соединения фосфора, как имеющие почвенное происхождение, так и унаследованные от материнской породы: дикальцийфосфат Ca₄H(PO₄)₃3Н₂О, гидроксилапатит Ca₁₀(PO₄)₂(OH)₂, фторапатит Ca₁₀F(PO₄)₆, штренгит FePO₄2H₂О, варисцит AlPO₄ 2H₂О и др.

В нейтральных и карбонатных почвах преобладают минеральные соединения фосфора, предположительно связанные с кальцием, в кислых - с железом и алюминием. В природных водах он существует в форме молекул и анионов ортофосфорной кислоты.

Фреоны (хладоны) - группа галогеносодержащих веществ: Ф-11 (CFCl₃), Ф-12 (CF₂ Cl₂), Ф-22 (CHClF)₂ и др., кипящих при комнатной температуре, высоколетучих, химически инертных у поверхности Земли. Они используются в холодильной промышленности, а также как распылители (в частности, сельскохозяйственных пестицидов и веществ в аэрозольных упаковках).

Фреоны представляют собой газообразные или жидкие вещества, как правило, хорошо растворимые в органических растворителях, а также во многих смазочных маслах и практически нерастворимые в воде. Фреоны негорючие, не образуют взрывоопасных смесей с воздухом и относительно химически инертны. Они не действуют на большинство металлов (до 200 С), стойки к окислителям, кислотам. При контакте с открытым пламенем разлагаются с образованием токсичных дифтор- и фторхлорфосгена.

Поднимаясь в стратосферу, фреоны подвергаются фотохимическому разложению с выделением иона хлора, который служит катализатором химических реакций, разрушающих молекулы озона, защищающего планету от жесткого ультрафиолетового излучения. В настоящее время ведется постоянное наблюдение (мониторинг) за озоновым экраном, плотность которого в конце 20-го века была на 5-6 % ниже нормы, вследствие чего многие страны сократили производство и потребление фреонов, но общий выпуск этих веществ в мире растет (по Монреальскому протоколу, оно должно было сокращено на 50 % к 2000 г.), однако в настоящее это решение не выполнено.

Возрастает и концентрация фреонов в атмосфере. Еще известны и такие фреоны, как Ф-14 (CF₄), Ф-13 (CCl₂F₃), Ф-13 (СВrF₃). Наибольшее значение имеет фреон-12; его получают при действии трехфтористой сурьмы на четырехфтористый углерод (катализаторами в этой реакции служат Br или SbCl₆): 3CCl₄ + 2SbF₃ = 3ССl₂F₂ + 2SbCl₃. Производство фреона-12 достигает 15 % всей мировой продукции фторорганических соединений.

5.2.4 Тяжелые металлы в природных средах

В настоящее время в биосферу поступает свыше 500 тыс. разновидностей химических веществ - продуктов хозяйственной деятельности, большая часть которых накапливается в почве. Среди загрязнителей значительное место занимают тяжелые металлы.

Тяжелые металлы - группа химических элементов, имеющих плотность 5 г/см³. Для их биологической классификации правильнее руководствоваться атомной массой, т.е. считать тяжелыми металлы с относительной массой более 40. К тяжелым металлам отнесена группа элементов, имеющих большое биохимическое и физиологическое значение. Это так называемые микроэлементы - медь (Cu), цинк (Zn), молибден (Mo), кобальт (Co), марганец (Mn).

В зависимости от концентрации в природной среде их определяют или как микроэлементы, или как тяжелые металлы. Однако существует группа металлов, за которыми закрепилось только одно определение - «тяжелые» в смысле «токсичные». К ним относятся ртуть (Hg), кадмий (Cd), свинец (Pb), таллий (T l) и некоторые другие элементы. Их считают наиболее опасными загрязнителями окружающей среды наряду с такими металлоидами, как мышьяк (As), селен (Se), теллур (Te).

Основные источники антропогенного поступления тяжелых металлов в природную среду - тепловые электростанции, металлургические предприятия, карьеры и шахты по добыче полиметаллических руд, транспорт, химические средства защиты сельскохозяйственных культур от болезней и вредителей. Наиболее мощные потоки тяжелых металлов возникают вокруг предприятий черной, особенно цветной металлургии, в результате атмосферных выбросов. Вследствие несовершенства технологических процессов и средств очистки выбрасываемых газов загрязняются атмосфера, почвенный и растительный покровы.

Учет источников атмосферного воздуха и инвентаризация выбросов ведется практически во всех регионах нашей страны и в индустриально развитых странах.

Загрязнение природной среды токсинами происходит, как правило, в результате работы промышленных комплексов, а не отдельных предприятий. Учитывая, что плотность потока выпадающих металлов на подстилающую поверхность пропорциональна их концентрации в воздухе, с помощью специальных методик оценивают конкретный источник поступления металлов в окружающую среду.

Основные источники антропогенных выбросов вредных веществ в атмосферу сосредоточены в странах Северной Америки и Европы, т.е. в Северном полушарии. Содержание металлов в атмосфере колеблется в широком диапазоне и зависит от расстояния от источника загрязнения, характера подстилающей поверхности и метеорологических условий в момент измерения. Летучесть металлов обусловлена тем, что они связаны в атмосфере с субмикронными частицами, которые в воздухе ведут себя практически как газ. Загрязняющие вещества в атмосфере захватываются дождевыми каплями или снежинками и выпадают с осадками или на поверхность Земли в виде сухих выпадений.

Промышленные источники аэрогенного загрязнения почвы металлами локализованы в пространстве, поэтому они создают высокие уровни загрязнения почв в ограниченных районах.

В зависимости от высоты и дисперсного состава выбросов в локальной зоне загрязнения выпадает 10-15 % количества металлов, поступивших в атмосферу. Конфигурация изолиний содержания металла в почве вокруг источника выбросов в основном соответствует климатической розе ветров. Поступление металлов в почву вблизи источников выбросов происходит обычно в форме нерастворимых соединений.

Подвижность тяжелых металлов в почвах. Трансформация соединений тяжелых металлов, поступающих в почву, включает в себя следующие процессы: растворение, адсорбция катионов тяжелых металлов твердой фазой почв, образование новой твердой фазы. Основными процессом, контролирующим содержание водорастворимых форм тяжелых металлов в почвах, подверженных техногенному загрязнению, является адсорб-ционно-дерорбционное равновесие.

Установлено, что после внесения оксидов тяжелых металлов содержание их подвижных форм практически не отличалось от содержания в почве, в которую вносили водорастворимые соли тех же тяжелых металлов. Со временем во всех почвах содержание водорастворимой, обменной и непрочно связанной форм тяжелых металлов уменьшилось, а прочносвязанной форм - увеличивалось.

Концентрация тяжелых металлов в почвенном растворе - наиболее важная экологическая характеристика почвы, поскольку определяет миграцию тяжелых металлов по профилю и поглощение их растениями. Изменение влажности почв, активности микробиоты влияют на кислотно-основное и окислительно-восстановительное равновесие, содержание хелатообразующих соединений, состав почвенной атмосферы, и все это в свою очередь сказывается на подвижности тяжелых металлов.

В поглощении тяжелых металлов почвами действуют 2 механизма:

- первый включает адсорбцию с образованием внешне - и внутрисферных комплексных соединений с минеральными и органическими компонентами почв;

- второй состоит в осаждении из почвенного раствора труднорастворимых соединений, т.е. в образовании вторичной твердой фазы.

В дальнейшей судьбе металлов, образующих прочные связи с кислородом и серой, большую роль играет комплексное образование с органическим веществом. При достаточно высокой концентрации металла в растворе начинается осаждение вторичной твердой фазы: гидроксидов железа, алюминия, карбонатов кальция, магния, сульфидов цинка, кадмия, ртути. При этом концентрация металла в растворе зависти от аниона, обеспечивающего минимальную растворимость катиона.

Поступление тяжелых металлов в растения. Важное место при разработке мероприятий по охране природной среды от загрязнения техногенными выбросами занимает изучение поглощения тяжелых металлов растениями. Проблема поступления металлов в растения имеет 3 практических аспекта:

- во-первых, растения являются промежуточным резервуаром, через который металлы переходят из воды, воздуха и, главным образом, почвы в организмы человека и животных, в связи, с чем необходима разработка методов защиты пищевых цепей от проникновения токсикантов в опасных концентрациях;

- во-вторых, доказана токсичность тяжелых металлов для самих растений - как для низших, так и для высших, что ставит ряд вопросов о реакции растений на избыток тяжелых металлов в среде;

- в-третьих, выяснение возможности использования растений в качестве биоиндикаторов загрязненной природной среды тяжелыми металлами.

Известно, что при аэротехногенном загрязнении природной среды тяжелыми металлами возможны два основных пути их поступления в растения:

1) из атмосферы - через листовую поверхность и 2) из почвы - через корневую систему.

Поглощение металлов корнями может быть пассивным (неметаболическим) и активным (метаболическим):

- пассивное поглощение происходит путем диффузии ионов из почвенного раствора в эндодерму корней;

- при активном поглощении необходимы затраты энергии метаболических процессов, и оно направлено против химических ингредиентов.

При обычных концентрациях в почвенном растворе поглощение тяжелых металлов корнями растений контролируется метаболическими процессами внутри корней. Обнаруживаемое в ряде случаев падение концентрации металлов в растворе вблизи поверхности корней отражает более высокую скорость поглощения корнями по сравнению с диффузионным и конвективным переносом в почве. При высоких концентрациях тяжелых металлов в почвенном растворе в транспорте их к корням растений преобладающую роль играет диффузия.

Поступление тяжелых металлов в растения через корневую систему зависит прежде всего от количества этих металлов в почве. Коэффициенты корреляции между содержанием металлов в растениях и средах при разных условиях (тип почвы, влажность, кислотность и др.) могут быть достаточно высоки - в некоторых случаях превышают величину 0,80. Ученые отмечают как линейное, так и нелинейное возрастание содержания металлов при увеличении их концентрации в растворах или питательных средах.

Различные виды растений в значительной степени различаются по способности поглощать тяжелые металлы. Высшие растения меньше накапливают тяжелые металлы и менее устойчивы к повышенным концентрациям, чем низшие. Наиболее высокое содержание ртути, кадмия, меди и цинка отмечено в грибах, мхах и лишайниках.

Как правило, высокой устойчивостью к воздействию металлов отличаются виды растений, растущие в биохимических провинциях с высокими концентрациями тяжелых металлов в течение длительного исторического периода (металлофиты). Формирование устойчивости к металлам имеет генетическую основу. Эволюционные изменения у растений, возникающие под действием тяжелых металлов, отличают их от популяций тех же видов, растущих на обычных почвах. К металлофитам, например, относят растение Silene maritina, накапливающее в золе цинка до 21 000 мг/кг. Различают псевдометаллофиты, способные накапливать металлы только при попадании на обогащенный ими субстрат.

Культурные растения, как правило, в меньшей степени способны накапливать тяжелые металлы и обладают меньшей устойчивостью к ним, чем дикорастущие. Накопление в культурных растениях токсикантов опасно для здоровья человека, поскольку при этом допускается проникновение загрязнителей в пищевые цепи. В многочисленных полевых и вегетационных опытах установлена различная способность сельскохозяйственных культур к накоплению тяжелых металлов и устойчивости к ним.

Содержание избыточного количества тяжелых металлов в растительной массе может меняться в течение вегетационного периода. Одна из причин этого - неспособность потока, поступающего из почвы в растения, равномерно в течение всей вегетации насыщать тяжелыми металлами прирост биомассы, который в середине лета достигает максимума, и хотя темп их поступления более или менее равномерен, возникает так называемый «эффект разбавления».

На почвах, загрязненных ртутью, установлено, что соотношение содержания этого элемента в корнях, листьях и зерне составляло соответственно 30:3:1, т. е. сравнительно небольшая часть поступившей в растения ртути достигла зерна, оставаясь преимущественно в корнях.

Преимущественное накопление металлов в корнях объясняется тем, что при проникновении в плазму происходит инактивация и депонирование значительных количеств тяжелых металлов в результате образования малоподвижных соединений с органическими веществами.

Для минимизации перехода металлов из почвы в растения рекомендуется использовать метод рационального подбора культур. Предпочтение необходимо отдавать, во-первых, техническим культурам, более устойчивым к воздействию тяжелых металлов; во-вторых, тем пищевым и кормовым культурам, товарная (употребляемая в хозяйстве) часть которых наименее подвержена проникновению токсичных металлов и не накапливает их.

При разработке мероприятий по охране природной среды от загрязнения техногенными выбросами необходимо учитывать поступление тяжелых металлов в растения из атмосферы через листовую поверхность, из почвы через корневую систему, а также влияющие на них факторы.

Нормирование содержания тяжелых металлов в почвах и растениях.

Антропогенная эволюция почвенного покрова зависит как от характера антропогенных воздействий, так и от особенностей природных свойств экосистем, их устойчивости к различным видам нагрузок и способности к восстановлению. Эта эволюция носит глобальный характер с существенным изменением многих закономерностей распределения почв и структур как планеты в целом, так и отдельных регионов.

Необходимо, прежде всего, получить и систематизировать всестороннюю информацию о комплексе антропогенных воздействий на почвы и почвенный покров страны, а также изучить трансформации различных по генезису почв и структур почвенного покрова под влиянием отдельных видов их воздействий. Особенно важно изучить устойчивость и регенеративную (восстановительную) способность почв и почвенного покрова в различных природных обстановках.

Под нормированием следует понимать такую антропогенную нагрузку, которая при длительном (многолетнем) воздействии на почву не вызывает каких-либо патологических изменений в почвенной биоте и в свойствах ее абиотической части, особенно в почвенном поглощающем комплексе.

Нормирование содержания, в частности металлов, в почвах предусматривает установление их предельно допустимых количеств (ПДК). Под ПДК тяжелых металлов следует понимать такие их концентрации, которые при длительном воздействии на почву и произрастающие на ней растения не вызывают каких-либо патологических изменений или аномалий в ходе биологических почвенных процессов, а также не приводят к накоплению токсичных элементов в сельскохозяйственных культурах и, следовательно, не могут нарушить биологический оптимум для животных и человека.

Различают следующие виды экологического нормирования: ландшафтное, биотическое, почвенное. Нормирование содержания любого ингредиента для почвенно-растительного покрова встречает огромные трудности в связи с тем, что биота, почва, ландшафт, в отличие от сравнительно гомогенных (однородных) водной и воздушной сред, являются гетерогенными компонентами биосферы в пространстве и времени.

Загрязнители можно разбить на 4 группы - почвохимически активные; биохимически активные; загрязнители, сочетающие в себе признаки обеих групп; индифферентные:

- в группу почвохимически активных загрязнителей включены вещества (оксиды щелочноземельных катионов, минеральные кислоты, щелочи, нефтепродукты и др.), воздействующие на щелочно-кислотные, окислительно-восстановительные условия, меняющие педохимическую обстановку, морфологию почвенного профиля;

- в группу биохимически активных загрязнителей включены вещества, активно воздействующие на биоту почвы. Это - деформанты, пестициды, тяжелые металлы, радионуклиды и др.;

- третья группа включает в себя соединения, вещества, являющиеся почвохимически и биохимически активными одновременно. Это, в первую очередь, тяжелые металлы в высоких концентрациях, способные к гидролизу и оказывающие негативное воздействие не только на биоту, но и на физико-химические свойства почв, и ряд других ингредиентов, составляющих первые две группы;

- в группу индифферентных загрязнителей входят: оксиды кремния, железа, глинистые минералы и др., являющиеся индифферентными и не оказывающие существенного влияния на почвенно-растительный покров.

В соответствии с этой классификацией нормирование загрязнителей должно проводиться с учетом направленности, степени их воздействия на состав почв, их морфологию, на почвенную и наземную биоту.

Существует 3 способа загрязнения почв - агрогенный, гидрогенный, аэрогенный:

- первые два способа загрязнения воздействуют на природные или сельскохозяйственные экосистемы в основном периодически и только через корневую систему;

- аэрогенный перенос загрязнений является наиболее масштабным по воздействию на природную среду, действует непрерывно, атакует и непосредственно наземный растительный покров. В связи с этим очень важно знать, во-первых, эффекты его непосредственного воздействия на наземную биоту, во-вторых, скорость поступления и трансформации загрязнителей в почвах.

Большую работу по нормированию содержания химических ингредиентов в почвах проводят медики-гигиенисты. Согласно принятой ими схеме, нормирование подразделяется на:

- транслокационное (переход нормируемого элемента в растение);

- миграционное воздушное (переход в воздух);

- миграционное водное (переход в воду);

- общесанитарное, гигиеническое (влияние на самоочищающую способность почвы и почвенный микробиоценоз).

При нормировании содержания тяжелых металлов в почвах некоторые ученые предлагают различать их весовые доли: губительные (летальные), снижающие урожай (сублетальные), не влияющие на рост, развитие и биомассу растений (толерантные) и те доли, которые ведут к накоплению элементов до уровня ПДК по пищевым и кормовым цепям.

В табл. 5.1 дана классификация почв с точки зрения уровня их загрязнения различными тяжелыми металлами, при этом выделяют 4 уровня.

Для того, чтобы решить проблему нормирования воздействия того или иного токсиканта, необходимо иметь систему взаимосвязанных показателей: предельно допустимые нормы поступления вещества на единицу площади, предельно допустимые концентрации его в атмосфере, наземном растительном покрове, почвах, почвенно-грунтовых водах.

Таблица 5.1 Классификация почв по степени загрязнения металлами, мг/кг воздушно-сухой почвы

Элемент	Уровень загрязнения
	низкий	средний	высокий	очень высокий
Свинец	5-10 100-150	10-50 150-500	50-100 500-1000	100 1000
Кадмий	0,5-1,0 1-2	1,0-3,0 2-5	3-5 5-10	5 10
Цинк	20-50 150-200	50-100 200-500	100-200 500-1000	200 1000
Медь	5-10 100-150	10-50 150-250	50-100 250-500	100 500
Никель	5-10 100-150	10-50 150-300	50-100 300-600	100 600
Ртуть	не опр. 1-2	не опр. 2-5	не опр. 5-10	не опр. 10

В числителе - содержание подвижных форм, в знаменателе - общее содержание элемента.

В настоящее время многочисленные государственные и ведомственные службы, призванные контролировать состояние компонентов биосферы, свои основные усилия обращают на оценку состояния конечных звеньев и изучаемой системы: источник эмиссии - атмосфера - питьевые воды - воды открытых водоемов - почва - наземный растительный покров - товарная часть растительной продукции - животные - человек, при этом очень мало внимания уделяют начальным звеньям системы.

А ведь широко известно: легче предотвратить загрязнение, чем ликвидировать его последствия.

Мероприятия по мелиорации почв, загрязненных тяжелыми металлами.

В большинстве промышленных стран Запада благодаря использованию современных промышленных технологий и высокой степени очистки атмосферных выбросов от вредных аэрозолей острота проблемы загрязнения почв тяжелыми металлами на локальном уровне в последние годы значительно ослаблена и преодолевается. В нашей стране переработка огромных масс сырьевых и энергетических ресурсов вызывала и продолжает вызывать возникновение многих экологических проблем.

Основные направления природоохранной деятельности должны быть сосредоточены, в первую очередь, на резком сокращении выбросов вредных веществ в атмосферу. Реальность, однако, такова, что безотходных производств нет и, по-видимому, не будет. Необходимо стремиться к созданию малоотходных технологий.

Для снижения загрязнения придорожных территорий продуктами сгорания автомобильного топлива целесообразны организация санитарно-защитных зон и высадка лесополос. Сформированные защитные насаждения предотвращают необратимое накопление выбросов автотранспорта в придорожных полосах и сохраняют хозяйственную ценность этих земель.

Перечислим различные способы химической мелиорации почв, загрязненных тяжелыми металлами:

- один из самых распространенных способов - известкование, которое увеличивает поглотительную способность почв, изменяет состав поглощенных оснований в твердой фазе почвы: водород и обменный алюминий в значительной степени замещаются кальцием;

- внесение органического вещества. Органическое вещество выступает как хороший адсорбент катионов и анионов, повышает буферность почв, понижает концентрацию солей в почвенном растворе. Все это способствует снижению фитотоксичности многовалентных тяжелых металлов, препятствует их поступлению в растения;

- применение ионообменных смол, которые содержат карбоновые и гидроксильные группы. Смолы используют в кислотной форме, либо в форме, насыщенной ионами кальция, калия, магния или их смесью и вносят в почву в виде гранул или порошка в количестве, зависящем от содержания тяжелых металлов;

- существенном снижении фитотоксичности большинства тяжелых металлов в результате образования в почве труднорастворимых солей. Так, обогащение почв растворимыми соединениями ортофосфорной кислоты, с одной стороны, повышает содержание фосфора в почве, улучшая тем самым ее плодородие, с другой стороны - способствует образованию нерастворимых соединений тяжелых металлов. Данный прием наиболее эффективен при сильном загрязнении почв, так как для образования нерастворимого осадка нужна определенная концентрация, обеспечивающая образование насыщенного раствора соли того металла, осаждения которого нам необходимо добиться. Наиболее эффективен этот прием в тех случаях, когда можно ожидать соединения металла с анионом кислоты, образующей соль с очень низким произведением растворимости; к таким анионам относятся фосфаты, карбонаты, силикаты и некоторые другие.

Заслуживает внимания особый вид мелиорации - фитомелиорация.

5.2.5 Пестициды в природных средах

Пестицид - химическое соединение, используемое для защиты растений, сельскохозяйственных продуктов, древесины, изделий из шерсти, хлопка, кожи, для уничтожения эктопаразитов животных и борьбы с переносчиками опасных заболеваний.

К пестицидам также относят вещества, используемые для:

- регуляции роста и развития растений (ауксины, гибериллины, ретарданты);

- удаления листьев (дефолианты);

- уничтожения растений на корню (десиканты);

- удаления цветов и завязей (дефлоранты);

- отпугивания животных (репелленты), их привлечение (аттрактанты) и стерилизации (хемостирилизаторы).

Препараты, используемые для уничтожения животных, называют инсектицидами.

Использование пестицидов неизбежно отрицательно влияет на экосистемы любого уровня и на здоровье человека. Пестициды следует использовать по назначению, в минимально необходимом количестве и лишь там, где химические средства защиты нельзя пока заменить биологическими. Из закона «физико-химического единства живого вещества» вытекает следствие: вредное для одной части живого вещества не может быть безразлично для другой ее части. Поэтому любые физико-химические агенты, смертельные для одних организмов, не могут не оказывать вредного влияния на другие организмы.

Помимо того, что химические вещества опасны для человека и теплокровных, они также способны вызывать устойчивость у вредных организмов, тем самым содействуя возникновению новых, более вредных и опасных видов организмов. Кроме того, химические вещества могут нарушать веками сложившиеся взаимодействия в природе между животными и растениями.

В 70-х гг. прошлого века многие страны применяли стойкие в объектах внешней среды химические вещества, что привело к накоплению и циркуляции химических веществ в объектах внешней среды. Классический пример - применение в сельском хозяйстве ДДТ (дуста) для борьбы с вредителями. Его следы были обнаружены даже в организмах пингвинов, проживающих в Антарктиде.

Для того чтобы обезопасить действие пестицидов на окружающую среду, необходимо выполнять следующие требования:

- все химические вещества должны обладать токсичностью, ядовитостью для соответствующих вредных организмов и одновременно быть безопасными для человека и теплокровных;

- пестициды должны быть безвредными для защищаемых растений и оказывать стимулирующее действие на рост и развитие;

- они не должны вызывать отдаленные последствия для человека, т.е. не должны быть:

· канцерогенными (вызывать злокачественные опухоли);

· тератогенными (вызывать уродства при рождении);

· мутагенными (вызывать мутации);

· кумуляционными (накапливаться во внешней среде);

· персистентными (стойкими в объектах среды);

· если вещество вносится в почву, то оно не должно превышать одного сезона для средств борьбы с сезонной растительностью и 2-х сезонов - с почвообитающими вредителями, при этом не должно поглощаться растениями и накапливаться в плодах и других частях растений, используемых в пищу;

пестициды должны быть безопасными с точки зрения хранения, т.е. не горючими, взрывобезопасными;

пестициды должны хорошо совмещаться в процессе применения;

быть удобными с точки зрения транспортировки;

иметь дешевую сырьевую базу для производства, низкую стоимость;

они должны соответствовать ГОСТ.

Государственный стандарт на пестицид отражает точное название действующего вещества. Действующее вещество - это химическое вещество, входящее в состав пестицида и оказывающее на вредный организм токсическое действие.

ГОСТ подлежат опасные сопутствующие вещества: вещества с 2-й, 3-й связью, наличие иона Н⁺, который вызывает ожог растений.

Если пестицид выпускается в виде порошка, то нормируется:

степень помола порошка и пылевидных препаратов, внешний вид, цвет и запах;

правила отбора проб для анализа;

сам метод анализа;

упаковка препарата и условия хранения.

Для предотвращения негативных действий пестицидов на биоценозы необходимо:

проводить химические мероприятия после тщательного обследования посевов и изучения численности вредных организмов, их хищников и вредных паразитов в течение вегетационного периода;

учитывать возможность выработки у вредных организмов устойчивости к пестицидам;

проводить мероприятия при достижении экономического порога вредности;

синтезировать химические вещества избирательного действия;

правильно выбрать срок обработки, когда полезные насекомые находятся в недоступных местах;

совершенствовать формы и способы внесения препаратов;

работать в оптимальные сроки.

Если в растение поступает небольшое количество вещества, то оно начинает хорошо расти, усиливается содержание витамина в плодах - это действие называется стимулирующим. При увеличении количеств токсиканта, поступающего в растение, растения начинают отставать в росте, т.е. он оказывает угнетающее действие.

При поступлении очень больших количеств химических веществ наблюдается гибель растений - фитоцидность. При фитоцидности наблюдается снижение всхожести и энергии прорастания растений, ожоги, хлороз, опадение листьев и завязей, нарушение нормального плодообразования и т.д.

Токсикология - наука о ядах и их действии на организм.

Агрономическая токсикология - это раздел токсикологии по изучению свойств пестицидов, применяемых в практике сельского хозяйства страны.

Токсичность пестицидов - свойство пестицидов в определенных количествах нарушать нормальную жизнедеятельность вредного организма и вызывать его гибель.

Мерой токсичности является доза - количество вещества, вызывающее определенный эффект. Доза измеряется в мг/кг живого веса.

Различают следующие виды доз:

пороговая - наименьшее количество вещества, которое при однократном введении не вызывает видимых изменений в организме;

токсическая - наименьшее количество вещества, которое при однократном введении вызывает видимое изменение в организме;

сублетальная - наименьшее количество вещества, которое при однократном введении вызывает серьезные изменения в организме без смертельного исхода;

летальная - наименьшее количество вещества, которое при однократном введении вызывает гибель 50 % особей однородных вредных организмов.

Гигиеническая классификация пестицидов

Все пестициды подразделяются на 4 группы:

1) сильнодействующие ядовитые вещества (например, метафос);

2) высокотоксичные (фозалон);

3) среднетоксичные (хлорофос);

4) малотоксичные вещества (аспирин).

Диоксины - это группа хлорсодержащих органических веществ, которую в последние годы считают наиболее экологически опасной. В эту группу входят суперэкотоксиканты - универсальные клеточные яды, которые поражают все живое. Диоксины промышленность не выпускает, они образуются при производстве при производстве других химических веществ (например, при синтезе гексахлорфенолов, гербицидов и др.).

Источниками диоксинов являются сточные воды предприятий целлюлозно-бумажной промышленности, металлообрабатывающей, электронной и др. Диоксины попадают в атмосферу с выхлопными газами автомобилей, при хлорировании питьевой воды, горении техногенной древесины, бытовых отходов и т.д. Загрязнение среды возникает и при промышленных авариях. Кроме того, диоксины способны влиять на репродуктивную систему. В настоящее время в России разработаны технологии по удалению диоксинов из воды на основе сорбции на гранулированных активных углях, которые уже используются на водопроводах Уфы и Москвы.

5.2.6 Загрязнение нефтью и нефтепродуктами

Сжигание угля, нефтепродуктов, газа, битумов и других веществ сопровождается поступлением в атмосферу, почвы и водную среду значительных масс канцерогенных веществ, среди которых особенно опасны полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и бенз(а)пирен (БП). Автотранспорт, авиация, коксохимические и нефтеперегонные заводы, нефтепромыслы способствуют загрязнению окружающей среды этими канцерогенами. Антропогенные источники выбрасывают в атмосферу канцерогенный 3,4-бензпирен, другие токсичные соединения.

Присутствие повышенных количеств (БП) в воздухе, водах, почвах, пище установлено в городах, промышленных регионах, вокруг предприятий, железнодорожных станций, аэропортов, вдоль дорог. Главный конечный резервуар аккумуляции БП - почвенный покров. Больше всего его накапливается в гумусовом горизонте почв. С почвенной пылью, грунтовыми водами, в результате водной эрозии, с продуктами питания бензпирен поступает в общие биогеохимические циклы на суше, распространяясь повсеместно.

Ежегодно в мире добывается свыше 2,5 млрд т сырой нефти. Негативное последствие интенсификации нефтедобычи - загрязнение природной среды нефтью и продуктами ее переработки. При добыче, транспортировке, переработке и использовании нефти и нефтепродуктов их теряется около 50 млн т год. В результате загрязнения значительные территории становятся непригодными для сельскохозяйственного использования. С поступлением в почвы сырой нефти и нефтепродуктов нарушается процесс их естественного фракционирования. При этом легкие фракции нефти постепенно испаряются в атмосферу, некоторая часть нефти механически выносится водой за пределы площади загрязнения и рассеивается на путях движения водных потоков. Часть нефти подвергается химическому и биологическому окислению.

...