Учебник по экологии для технических специальностей - Н.И. Николайкин. Учебник по экологии для технических специальностей - Н.И. Никола. Технические науки и по специальностям в области 650000 Техника и технологии е издание, стереотипное москва 2004
 Скачать 4.61 Mb.
|
|
смога (от англ smoke — дыми туман. Эта наиболее крупная из известных до сих пор катастроф, связанных с загрязнением воздуха, которая унесла столько же жизней, сколько и последняя эпидемия холеры в 1866 г. 5 декабря 1952 г. почти над всей Англией возникла и сохранялась несколько дней подряд зона высокого давления и безветрия, сопровождавшаяся столь известным для этих мест густым туманом. В результате в воздухе возникла температурная инверсия, нарушившая нормальную вертикальную циркуляцию в атмосфере. Туман сам по себе для организма человека неопасен, однако в условиях города, при непрекращавшемся поступлении дыма в приземные слои атмосферы в них скопилось несколько сотен тонн сажи (одного из виновников температурной инверсии) и вредных для дыхания человека веществ, главным из которых являлся сернистый газ. Лондонский (влажный смог — это сочетание газообразных и твердых примесей с туманом — результат сжигания большого количества угля (или мазута) при высокой влажности атмосферы. Впоследствии в нем практически не образуется Сухой (фотохимический) смог (см. разд. 9.1.1.4). 9 . 1 . Антропогенное воздействие на биосферу 3 9 7 каких-либо новых веществ. Таким образом, токсичность целиком определяется исходными загрязнителями. Английские специалисты зафиксировали, что концентрация диоксида серы S 0 2 в те дни достигала 5—10 мг/м 3 и выше при предельно допустимой концентрации (ПДК) этого вещества в воздухе населенных мест 0,5 мг/м 3 (максимально разовое значение) и 0,05 мг/м 3 (среднесуточное. Смертность в Лондоне резко возросла в первый же день катастрофы, а по прошествии тумана она снизилась до обычного уровня. Также было установлено, что прежде других умирали горожане старше 50 лет, люди, страдающие заболеваниями легких и сердца, атак же дети в возрасте до одного года. Можно сопоставить данные о загазованности в Лондоне в те печально знаменитые дни со значением ПДК = 1 0 мг/м 3 в воздухе рабочей зоны для диоксида серы. При таком значении ПДК здоровый работоспособный человек может трудиться ежедневно (кроме выходных) почили иное время (ноне более 41 ч в неделю) в течение всего рабочего стажа без заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколе ний» 1 Точные данные о событиях тех дней — результат того, что к этому времени исследования воздуха проводились уже несколько десятилетий, ибо проблема загазованности в Лондоне существовала с давних пор. Еще в XIII в, когда в окрестностях города начали исчезать леса, жители стали использовать каменный уголь, добывавшийся на морском побережье, плохо горевший и выделявший много дыма. Поэтому в 1273 г. в Англии был принят закон, запрещавший применение такого угля, что можно считать началом истории борьбы с загрязнением атмосферы. В 1952 г. загрязнение воздуха Лондона от отопительных систем домов в несколько раз превышало объем загрязнений от промышленных предприятий, развитие которых в городской черте целенаправленно тормозилось английским законодательством к тому времени уже более 100 лет. Урок из трагедии 1952 г. был извлечен достаточно быстро. В 1956 г. был принят закон о чистоте воздуха, который стал строго соблюдаться, и кг. выброс сажи (виновника атмосферной 1 Таково определение ПДК вредного вещества в воздухе рабочей зоны по ГОСТ 12.1.005-88. 3 9 8 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ инверсии) из отопительных систем домов удалось снизить враз, а из промышленных установок — враз. В результате отбыл ы х Лондонских туманов не осталось и следа. Отмечаются случаи, когда в центре города тумана меньше, чем в его окрестностях, хотя проблема загрязненности оксидами серы сохранилась. Излишнее количество кислоты в почве ведет к ее закислен и ю , нарушает биологическое равновесие. Кроме того, кислотами из почвы выщелачиваются тяжелые металлы, далее усваиваемые растениями. Последние передают повышенную дозу тяжелых металлов животным, через которых (или непосредственно из растений) они поступают в организм человека. В регионах, где почва и дно водоема содержат значительные количества щелочных веществ (например, известняка, кислотные осадки не наносят большого вреда, поскольку нейтрализуются, например в соответствии с уравнением реакции С а С 0 3 + 2H+ -> С а + + С 0 2 + Н 0 При этом известняк (карбонат кальция С а С 0 3 ) расходуется, выступая в качестве природного буфера. В других регионах, характеризующихся наличием преимущественно гранитов или иных силикатных пород, неспособных нейтрализовать доминирующие кислотные дожди, величина рН воды в озерах, реках, атак же в лесных и сельскохозяйственных почвах понижается. Такие геологические условиях арак терн ы для маломощных ледниковых почв Скандинавии, южных районов Канады, северных районов Великобритании, северо-восточных областей США. Кислотные осадки вызывают летальные последствия для жизни в реках и водоемах. Многие озера Скандинавии и восточной части Северной Америки оказались настолько закислены, что рыба не может не только нереститься в них, но и просто выжить. В е годы в половине озеру казан н ы х регионов рыба полностью исчезла. Наиболее опасно подкисление океанических мелководий, ведущее к невозможности размножения многих морских беспозвоночных животных, что может вызвать разрыв пищевых сетей и глубоко нарушить экологическое равновесие в Мировом океане. Тем не менее кислотные осадки столь вредоносны не для всех озера только для тех, чей водосборный бассейн не обладает способностью кн ей трал из а ц и и кислотных добавок. Если подстилающие породы (например, гранит ы или гнейсы) устойчивы к растворению, то и озерам характерна мягкая вода, 9 . 1 . Антропогенное воздействие на биосферу 3 9 9 а если в подстилающих породах присутствует известняк, то вода становится жесткой (содержащей много солей. Озера последнего типа лучше сопротивляются закислению воды. Наряду с подстилающими породами на чувствительность озер к кислотным дождям аналогичным образом воздействуют и местные почвы. Наибольший ущерб от кислотных осадков наблюдается в лесах с глинистой и алюмосиликатными почвами, из которых кислые воды вымывают ионы алюминия. Последние уничтожают полезные почвенные бактерии, через корневую систему поступают в древесину и далее действуют как клеточные яды. В нормальных (некислых) естественных условиях соединения алюминия практически нерастворимы и потому безвредны. По аналогичной схеме при подкислении среды начинается действие и других токсичных элементов, в том числе ртути и свинца. Установлено, что кислотные осадки повреждают растительность. Первоначально снижается продуктивность лесов прирост биомассы, что фиксируется по уменьшению размеров годичных колец на срезе ствола, а потом леса начинают гибнуть. Поданным многочисленных наблюдений, наиболее чувствительны хвойные породы деревьев, хотя, как и для озер, важную роль здесь играют почвы и подстилающие породы. В е годы ив начале х, когда в Европе было зафиксировано значительное увеличение кислотности осадков, вызванное сжиганием высокосернистых углей (рис. 9.9), леса получили значительные повреждения. В наибольшей степени пострадали леса ФРГ, Чехословакии, Польши их деградация отмечена в Австрии, Швейцарии, Швеции, Голландии, Румынии, Великобритании, Югославии, США. Тщательные исследования показали, что деградация лесов — результат комплекса негативных факторов, который, помимо кислотных осадков с последующим изменением минерального состава почвы, включает засухи, предшествовавшие повреждению деревьев большую высоту над уровнем моря и облачный покров, в который попадали пострадавшие деревья присутствие серы в листве и озона в атмосфере. Совместное действие перечисленных абиотических экологических факторов среды обитания лесов привело к экологической катастрофе в Северном полушарии. В наглей стране наблюдения за кислотностью и химическим составом атмосферных осадков ведутся много лет, создана сеть станций экомониторинга федерального и регионального 4 0 0 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ уровней. Результаты наблюдений Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды приведены в табл. 9.4, из которой видно, что химический состав осадков по регионам России изменяется в значительных пределах, а кислотность (величина рН) была достаточно стабильна. Таблица 9.4 Кислотность и состав атмосферных осадков на территории России по ежемесячным данным сетей экомониторинга в 1997 г. ЕТР — Европейская территория России. * Неполные данные. 9 . 1 . Антропогенное воздействие на биосферу 40 I Сравнение данных 1997 гс данными 1995—1996 гг. показывает, что общая минерализация осадков по стране несколько увеличилась, а в центре и северо-западе ЕТР загрязнение осадков выросло почтив раза. На побережье Арктики и Дальнего Востока по-прежнему преобладают хлорид- и сульфат-ионы, составляя более 50% от суммы ионов, что больше значений предыдущи лет. На остальной территории основными компонентами осадков остаются сульфат- и гидро карбонат-ионы, доля которых на юге Западной и Восточной Сибири достигла 80%. Пространственное распределение ни трат-ионов осталось на уровне прошлых лет, причем их вклад в общую минерализацию не превышает 10%. Наиболее высокое содержание нитрат-ионов наблюдается в центре ЕТР и Поволжье. Отмеченное значительное (более чем в 2 раза) увеличение хлорид-ионов в осадках прибрежных районов Дальнего Востока и Арктики — свидетельство важной роли природных факторов в формировании состава атмосферных осадков. За указанный период кислотность осадков практически на всей территории России уменьшилась, причем наблюдается рост Рис. 9.9. Средние значения рН = 4,1... 4,9 осадков в Европе поданным наблюдений за 1978—1982 гг. 4 0 2 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ минимальных и снижение максимальных значений при сохранении средних значений рН на уровне 5,6—6,7. При этом веди ничных пробах осадков были зафиксированы минимальные рН = 3,6...3,7 (в центре ЕТР и на юге Западной и Восточной Сибири) и максимальные рН = 9,4 значения (на Урале ив Пред- уралье). Изложенное выше подтверждается данными наблюдений, выполненных в 1997 г. в рамках Европейской программы мониторинга и оценки дальнего переноса загрязняющих веществ на трех российских станциях контроля трансграничного переноса. Обобщение многолетних наблюдений этих станций показало, что в 1997 гс атмосферными осадками на подстилающую поверхность выпало меньше свободных ионов водорода. Зафиксированные среднемесячные значения рН признаны не представляющими какой-либо опасности даже для высокочувствительных экосистем Севера. Такое положение, вероятно, связано, с одной стороны, с достижениями европейских стран в области защиты окружающей природной среды от загрязнения, ас другой стороны, со значительным спадом промышленного производства на территории бывшего СССР в конце XX в. 9.1.1.4. Загрязнение иными химическими веществами Помимо перечисленных газов, имеющих антропогенное происхождение, от промышленных и транспортных предприятий, предприятий бытового и коммунального обслуживания, предприятий современного высокомеханизированного сельского хозяйства в атмосферу поступают и другие загрязняющие вещества. Оксид углерода. Оксид углерода (СО, или угарный газ, — широко распространенный загрязнитель воздуха, содержащийся в дымовых газах любых установок сжигания органического топлива, в том числе в выхлопных газах транспорта с двигателями внутреннего сгорания. Особенность воздействия СО на многие виды животных ив частности, на человека заключается в способности центрального атома железа Fe в молекуле гемоглобина крови образовывать с молекулой оксида углерода значительно более прочную связь, чем с молекулой кислорода. Попадая в организм, угарный газ действует как яд он изолирует железо в гемоглобине, препятствуя переносу кислорода. 9 . 1 . Антропогенное воздействие на биосферу 4 0 3 Углеводороды Углеводороды с общей формулой C n ii m также относятся к числу основных примесей антропогенного происхождения, загрязняющих атмосферу. Они попадают в воздух с дымовыми газами теплоэнергетических установок, из хранилищ жидкого и газообразного топлива, с выхлопными газами транспорта. Если не учитывать метан, то 80% всех содержащихся в воздухе углеводородов приходится на этан, этилен, ацетилен, н-бутан, изопентан, пропан, толуол, н-пентан, ксилол, изобутан. Под действием солнечного света углеводороды участвуют в образовании фотохимического смога. Кроме того, при определенных условиях они вступают в реакции с образованием канцерогенных веществ. Сероводород Сероводород (H 2 S) является распространенным серосодержащим загрязнителем атмосферы, попадающим в нее из скважин добычи и от нефте- и газоперерабатывающих заводов, химических предприятий, целлюлозно-бумажных комбинатов и т. п. Сероводород — один из продуктов жизнедеятельности организмов (например, анаэробных бактерий. Среднее время жизни сероводорода в атмосфере около 2 сут, после чего он окисляется до диоксида серы. Фотохимический (сухой) смог. Такой смог формируется в атмосфере под действием солнечного света при отсутствии ветра и низкой влажности из компонентов, характерных для выхлопных газов автомобилей. Впервые смог зафиксирован в 1944 г. в Лос-Анджелесе, когда в результате большого скопления автомобилей была парализована жизнь одного из крупнейших городов США. В результате фотохимических реакций образуются соединения, вызывающие увядание и гибель растений, сильно раздражающие слизистые оболочки дыхательных путей и глаз. Смог Лос-Анджелесского типа усиливает коррозию металлов, разрушение строительных конструкций, резины и других материалов. Окислительный характер такому смогу придают озон и другие образующиеся в нем вещества. Исследования, проведенные в х годах в Лос-Анд желесе, показали, что увеличение концентрации озона связано с характерным изменением относительного содержания N 0 2 и NO. Озон Озон (0 3 ) — важный компонент атмосферы, образующий в стратосфере защитный экран от ультрафиолетового излучения Солнца. С развитием промышленности и транспорта началось увеличение содержания озона в нижних слоях ат Влажный (Лондонский) смог описан выше (см. разд. 9.1.1.3). 4 0 4 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ мосферы. Источником озона является оборудование, искрящее и генерирующее жесткое излучение электросварочные аппараты, контактные устройства электропоездов и т. п. Озон не только сильно токсичен, но и обладает свойством мутагенности. Часть озона в тропосфере образуется в результате сложной последовательности реакций в условиях фотохимического смога. Процесс проходит при ярком солнечном свете преимущественно в крупных городах, атмосфера которых сильно загрязнена выхлопными газами автомобилей. В этом случае атомы кислорода образуются из диоксида азота N 0 2 + hv (X < 400 нм) -» NO + О, О + 0 2 -> 0 3 В присутствии оксида азота как катализатора и привоз действии солнечного света с длиной волны X = 300—400 нм озон образуется также в результате окисления метана (и других органических веществ. При этом протекает цикл реакций, суммарное уравнение которых СН 4 + 4 0 2 -> СН 2 0 + Н 0 + 2 0 3 Присутствие озона в воздухе создает серьезные негативные проблемы, ибо он (активнейший окислитель, используемый человеком для дезинфекции) разрушает некоторые молекулы, играющие большую роль в биологических процессах, ослабляет иммунную систему человека и поражает легочную ткань. В совокупности с кислотными осадками и углеводородами озон считается виновником замедления роста и гибели лесов в Европе. Расчеты показывают, что антропогенный выброс моноок сида азота NO, являющегося непременным компонентом суммы оксидов азота N0^., удваивает приземную концентрацию 0 3 , а рост выбросов СН 4 (многократно опережающий по темпам роста другие виды загрязнений тропосферы) еще больше увеличивает концентрацию озона по сравнению с поступлением его из стратосферы в процессе глобальной циркуляции атмосферы. Аэрозоли. Аэрозоли (пыли, дымы, туманы) также являются загрязнителями атмосферы. Аэрозольные частицы попадают в атмосферу либо в готовом виде в результате деятельности вулканов, пожаров, морской соли, пыли или при сжигании топлива и с отходящими газами промышленных производств, 9 . 1 . Антропогенное воздействие на биосферу 4 0 5 либо образуются непосредственно в атмосфере в результате химических реакций между компонентами газовых выбросов, причем доля антропогенной запыленности составляет 10—20% от общего поступления твердых частиц в атмосферу. Основная доля мирового выброса взвешенных частиц — около 94% — приходится на Северное полушарие максимальное их количество поступает с территории промышленно развитых стран. Наличие аэрозолей нарушает тепловой баланс атмосферы. Появление при смоге голубоватой дымки, сопровождающееся ухудшением видимости, есть следствие образования твердых аэрозольных частиц. Запыленность атмосферы играет особую роль в общепланетарных тепловых процессах ее рост ведет к увеличению альбедо Земли и, как следствие, к уменьшению поглощения солнечной радиации. Образование аэрозолей с твердыми частицами в воздухе городов часто вызывается диоксидом серы S 0 2 , превращающимся в серную кислоту H 2 S 0 4 , которая в свою очередь вступает в реакцию с аммиаком N H 3 , образуя частицы сульфата аммония (NH 4 ) 2 S0 Большая часть аэрозолей, выбрасываемых в атмосферу, остается в тропосфере, причем дона высотах до 1 км. Время их пребывания в воздухе зависит от размеров частиц и на высотах до 1 км не превышает 3 сут, а в верхних слоях — 30 сут. Количество твердых частиц в воздухе сильно варьируется в зависимости от местности. В нижней тропосфере в сельских районах концентрация частиц составляет около 10 000 см, а над городами превышает 100 000 см. Фоновая концентрация в воздухе районов, мало подверженных воздействию антропогенной деятельности, составляет всего 200—500 см аэрозольных частиц. Тяжелые металлы. В атмосферу в виде твердых аэрозолей попадают металлы, в том числе токсичные — ртуть, свинец, кадмий, а также их соединения. Аэрозоли образуются при сжигании угля, нефти, торфа и других горючих ископаемых, а также из дыма плавильных печей при производстве сталей и сплавов цветных металлов. В результате антропогенной деятельности в атмосферу поступает во много раз больше золота, кадмия, свинца, олова, селена, теллура и других металлов, чем из природных источников. Для ртути выброс в результате антропогенной деятельности составляет около 1/3 всех поступлений этого металла в ат 4 0 6 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ мосферу. Оттуда она выпадает на сушу и с поверхностным стоком поступает в водоемы. Под действием бактерий происходит алкилирование ртути, иона становится еще более токсичной, чем в ионной форме. Подобные превращения характерны не только ртути, но и другим металлами неметаллам мышьяку, олову, свинцу, таллию, селену, кадмию и даже золоту. Валки- лированной форме металлы губительны даже в количестве нескольких нанограмм. В наибольшей степени атмосфера загрязняется свинцом, антропогенное поступление которого в воздух больше природного. Из общего количества выбросов свинца около 70—75% принадлежит продуктам сгорания бензина с добавками соединений свинца (в основном тетраэтилсвинца РЬ(С 2 Н 5 ) 4 в качестве антидетонационных присадок. С выхлопными газами в атмосферу, а затем в почву поступает более 250 тыс. т свинца в год. Кроме того, поданным американских исследователей источниками загрязнения свинцом являются также продукты сжигания твердых отходов (13%), индустрия (11%) и сжигание угля и нефти (3,8%), которые ежегодно рассеивают над континентами около 100 тыс. т свинца. Городская пыль содержит около 1% свинца, в дожде и снеге его до 300 мг/дм 3 . Ежегодно житель города поглощает около 45 мкг свинца. Содержание свинца в крови современного человека враз превышает его содержание в крови первобытного человека. Токсичное действие свинца связано сего способностью замещать кальций в костях и нервных волокнах. Серьезную опасность представляет загрязнение воздуха кадмием, антропогенный выброс которого в атмосферу (7000 т/г.) намного больше поступления из природных источников (850 т/г.). В дождевой воде его может содержаться до 50 мкг/дм 3 . Ежедневно в организм взрослого человека поступает до 50 мкг кадмия, хотя задерживается не более 2 мкг/сут., а остальное выводится. Хроническое воздействие даже незначительных концентраций кадмия ведет к заболеваниям нервной системы и костных тканей, нарушению ферментного обмена, дезорганизации работы почек. Прочие вещества Общий объем выбросов в атмосферу см. табл. 9.1) увеличивался до конца XX в. и продолжает расти в настоящее время. Одновременно усиливается и внимание к решению возрастающих экологических проблем. К концу прошлого века в нашей стране установлены гигиенические нормативы (допустимые уровни воздействия на организм человека) уже более 2100 индивидуальных веществ, тогда как 9 . 1 , Антропогенное воздействие на биосферу 4 0 / для первых десяти веществ они были введены еще в 1951 г. см. разд. 10.4.2). В соответствии с п. 7 ст. 15 Федерального закона Об охране атмосферного воздуха от 04.05.99 г. № 96-ФЗ: выброс в атмосферный воздух загрязняющих веществ, степень опасности которых для человека и ОС не установлены, запрещен. 9.1.2. Воздействие на гидрс^|эеру Вода, как и воздух, является количественно неисчерпаемым природным ресурсом, но человеку и всему живому в биосфере нужна непросто вода как вещество с формулой На вода определенного качества, те. имеющая определенные прозрачность, температуру, сопутствующие примеси и т. п. Гидросфера — это естественный фильтр-аккумулятор загрязняющих веществ, поступающих в окружающую природную среду, что связано с циклом глобального круговорота воды и с ее универсальной способностью к растворению газов и минеральных веществ. Статистика показывает, что 80% всех заболеваний в мире вызвано неудовлетворительным качеством питьевой воды Болезнь Гастро- Трахома Шистосо- Малярия энтерит матоз Число людей, страдающих заболеванием, млн чел 400* 500 200 800 Ежегодно в мире умирают около 22 млн чел. По мере развития цивилизации человеку требовалось все больше и больше воды. Человек каменного века потреблял менее 10 л/сут, в Римском государстве — до 70 л/сут, современный житель США — около 700 л/сут, тогда как во многих современных развивающихся странах эта цифра не превышает 30 л/сут (рис. 9.10). Считается, что уровень потребления воды характеризует уровень технического и культурного развития общества. На питье и приготовление пищи человек затрачивает не более 10% потребляемой воды, а в среднем бытовое потребление в развитых странах составляет 220—320 л/сут. Среди отраслей экономики нашей страны первое место по потреблению воды занимает сельское хозяйств. Для получе- 4 0 8 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ Рис. 9.10. Рост удельного потребления воды в быту (по К. С. Лосеву) ния 1 т пшеницы необходимо 1500 т воды, 1 т риса — болеет т хлопка — около 10 000 т. Второе место отводится промышленности. Ни одно промышленное предприятие не может функционировать, не используя воду из природных источников. Потребность предприятий вводе изменяется в широких пределах и зависит от вида получаемой продукции, принятой технологии, системы водоснабжения (прямоточной или водооборотной, климатических условий и т. п. Так, для получения 1 т угля затрачивается 2 т воды, стали — 15—20 т, целлюлозы — 400—500 т, синтетического волокна — 500 м 3 Третье месте по водоемкости занимает коммунальное хозяйство городов. Значительный объем чистой воды затрачивается на разбавление, обеззараживание стоков и отбросов промышленности, сельского хозяйства, строительства, населенных пунктов и транспортных путей, те. на борьбу с загрязнением гидросферы. Все перечисленное ведет к дефицитности воды и, как следствие, к планированию ее расхода не по крупности потребителей, а по необходимости удовлетворения первоочередных потребителей. Разнообразие сточных вод принято подразделять наследующие виды 9 . 1 . Антропогенное воздействие на биосферу 4 0 9 • технологические возникающие в технологических процессах предварительной мойки, промежуточной или финишной промывки, а также при использовании воды в качестве технологического растворителя либо носителя • хозяйственно-бытовые (или коммунальные, образующиеся в жилищно-бытовом секторе, а также в сфере общественного питания и санитарно-гигиенического обслуживания на предприятиях • поверхностные формирующиеся за счет дождевых и талых снеговых вода также воды при мокрой уборке территорий с искусственными покрытиями (асфальтированными, бетонными и т. п. 9 . 1 . 2 . 1 . Влияние на воды суши Наибольшее число стоков, загрязняющих поверхностные и грунтовые воды, образуется в энергетике, сельском и коммунальном хозяйствах. Большую роль в загрязнении вод играют вещества, выпадающие из атмосферы с осадками. Вводы суши и океана поступают сера и азот в виде соединений H 2 S 0 4 , HNOg, (NH 4 ) 2 S0 4 , N H 4 N 0 3 , Для поверхностных вод суши характерно наличие большого количества органических веществ, поступающих с территории водосборного бассейна. Фосфор в виде соединений попадает в водоемы сбытовыми сточными водами, причем 20—30% этого количества — из синтетических моющих средств. Постоянно увеличивается доля загрязнений, вносимых в водоемы за счет смывов атмосферными осадками удобрений и пестицидов с полей. Основная трудность в предотвращении загрязнения сточных вод объектами сельского хозяйства заключается в том, что поступление биогенных веществ с пашен рассредоточено в пространстве ив невозможности выделить источники и потоки загрязнений. Например, даже закрытие всех промышленных предприятий, расположенных на берегах Ладожского озера, или пуск на них высокоэффективных очистных сооружений не сможет решить проблему спасения озера, ибо с сельскохозяйственных угодий в него ежегодно поступает более 86 тыс. т азота и около 7,2 тыс. т фосфора. Одна из экологических проблем XX в. — антропогенная эвтрофика- ция водоемов (см. разд. 6.4.2), хотя само это явление существовало всегда. Наличию залежей угля, нефти, горючих сланцев мы обязаны процессам эвтрофикации, протекавшим на нашей планете в далеком прошлом. 4 1 0 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ На воды суши ощутимо влияет мелиорация ив первую очередь ее частные виды — орошение (обводнение) и осушение. Орошение — искусственное увлажнение почвы и поверхности растений путем подачи воды осуществляется с целью обеспечения растений влагой, регулирования солевого режима почв. Однако научно необоснованный отвод больших объемов воды из природных источников (рек, озер, болот) приводит не только к изменению уровня грунтовых вод, что вызывает засоление почв и потери их плодородия, но и к обезвоживанию самих природных источников. Так, по прогнозам ученых ряду рек угрожает судьба в ближайшем будущем не достигнуть своего природного устья, поскольку их воды походу течения будут полностью откачаны на промышленно-бытовые нужды. Подобный процесс послужил, в частности, причиной истощения водных запасов Аральского моря. Если дох годов прошлого века приток воды в Аральское море уравновешивал испарение (около 65 км 3 /г), тов начале х годов он стал менее 20 км 3 /г. В результате уровень воды по сравнению с 1957 г. понизился нами более. Площадь Арала уменьшилась с 66,5 до 36 тыс. км, а объем воды с 1000 док м. Ныне осушенное бывшее дно моря представляет собой пустыню. Пыльные и солевые бури, возникающие время от времени, разносят песок и соль на сотни и тысячи километров, снижая плодородие земель. Вода, непосредственно участвующая в технологическом цикле предприятий, насыщается различными химическими соединениями и взвесями. Состав стоков зависит от вида производства, исходного сырья и вспомогательных материалов, технического совершенства применяемой аппаратуры и точности соблюдения технологического регламента. Многообразие и непостоянство состава технологических сточных вод характерно для многих предприятий. Кроме того, вода природных источников, потребляемая предприятиями промышленности и особенно энергетики, используется в значительных количествах в качестве хладагента. Сброс подогретых вод обратно в водоем меняет его биоценоз, вызывает цветение воды. Основные химические загрязнители, поступающие в водоемы суши с промышленных предприятий, принято делить натри группы неразлагающиеся или очень медленно разлагающиеся в природной среде вещества, в том числе ионы металлов, минеральные соли, углеводороды нефти и т. п 9 . 1 . Антропогенное воздействие на биосферу 4 I I водорастворимые вещества, не вовлекаемые в биологический круговорот, в том числе токсичные легкоусвояемые органические соединения (биогенные вещества. 9.1.2.2. Влияние на Мировой океан Антропогенная нагрузка на воды Мирового океана в последние десятилетия значительно увеличилась. В результате резко ухудшилось качество морской воды, нанесен ущерб биологическим ресурсам океана, увеличилась опасность для здоровья людей (табл. 9.5). Основные причины загрязнения вод морей и океанов следующие сброс промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод в моря или реки, в них впадающие поступление с суши стоков, содержащих вещества, применяемые в сельском и лесном хозяйствах захоронение на морском дне загрязняющих веществ радиоактивные отходы и т. п разнообразные утечки с судов морского транспорта аварийные выбросы и сбросы судов, а также из подводных трубопроводов добыча полезных ископаемых на морском дне выпадение загрязняющих веществ с осадками из атмосферы. Помимо перечисленного в Мировой океан поступает большое количество взвешенных частиц. В нем обнаруживаются все новые и новые загрязняющие вещества антропогенного происхождения. Доля антропогенного поступления в суммарном поступлении свинца в океан составляет 92, нефти — 88, хлорированных углеводородов — 100%. Особенно опасны для биоценоза океана хлорорганические соединения, обладающие токсическими канцерогенным действием. Прибрежные зоны океана подвержены процессу эвтрофикации и микробиологическому загрязнению воды в первую очередь из-за хозяйствен но-бытовых стоков. Неуклонно возрастает поступление в океан нефти и нефтепродуктов. По расчетам специалистов после 1945 г. в среднем ежегодно в океан с судов сливается не менее 2,5 млн м нефтепродуктов. При этом всего лишь 1 т нефти способна образовать на поверхности воды мономолекулярную пленку на площади док м 4 1 2 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ Таблица 9.5 Наиболее распространенные токсичные компоненты крупномасштабного загрязнения Мирового океана по Патину Загрязняющие вещества Радионуклиды (тритий, стронций, цезий, церий, плутоний) Хлорорганические токсичные ДДТ и его метаболиты полихлорированные бифенилы альдрин дильдрин Металлы метилртуть, ртуть кадмий, свинец цинк медь хром мышьяк железо, марганец Нефть и нефтепродукты Детергенты Степень биологической опасности Сильная Сильная Сильная Сильная Сильная Сильная Слабая Значительная Значительная Слабая Слабая Незначительная Значительная Неопределенная Масштаб распространения Глобальный Глобальный Глобальный Глобальный Локальный Глобальный Глобальный Локальный Региональный Локальный Региональный Локальный Глобальный Региональный Детергенты — поверхностно-активные синтетические вещества, используемые в составе моющих средств и эмульгаторов, с трудом подвергаются разложению микроорганизмами. В океан не только сливают все стоки, но и сбрасывают большое количество твердых отходов. Наиболее опасны контейнеры с высокоактивными отходами атомной промышленности, содержащими трансурановые элементы, которые могут 9 . 1 . Антропогенное воздействие на биосферу 4 1 3 оставаться опасно радиоактивными еще несколько тысяч лет. Вначале х годов XX в. на дно океана в специальных контейнерах опускалось ежегодно около 7 тыс. т радиоактивных отходов. Вводах морей и океанов проводится также захоронение опасных ядохимикатов. Так, вначале х годов прошлого века в Балтийском море в цементных контейнерах захоронено 7 тыс. т мышьяка. Такого количества мышьяка хватит для того, чтобы отравить все население планеты. В наше время уже отмечается нарушение герметичности контейнеров и утечка ядохимикатов. Загрязнение человеком гидросферы, в том числе Мирового океана, заключается не только в сбросе сточных вод. Человек вносит изменения в гидрологический и гидрохимический сток в целом, вмешивается в естественный круговорот веществ, меняет качество воды. 9.1.3. Воздействие на литосферу Человек интенсивно воздействует на верхнюю часть твердой оболочки Земли. Преимущественно это воздействие приходится на верхний плодородный слой литосферы — почву, благодаря которой человечество удовлетворяет основную часть своих потребностей в продуктах питания. Плодородные земли относятся к условно возобновимым ресурсам, однако время, необходимое для их восстановления, те. формирования плодородного слоя, достаточного для сельскохозяйственного использования, может исчисляться сотнями или даже тысячами лет. При нормальных природных условиях 1 см толщины плодородной почвы образуется залет. Процесс значительно ускоряется при оптимальной агротехнике, но даже в этих условиях для создания 1 см плодородного слоя требуется не менее 40 лет. На нашей планете в качестве пашни обрабатывается около 10% суши. Вначале нового тысячелетия человечество, вероятно, приблизится к полной реализации всех потенциальных земельных ресурсов. Почти вся площадь, используемая под сельскохозяйственные культуры, освоена с давних времен. Несмотря на огромные усилия человечества, рост площадей возделываемых земель низок, и обеспеченность ими надушу населения постоянно снижается. Стремясь повысить урожаи выращиваемых культур, человек широко применяет удобрения, пестициды, строит ороси 4 1 4 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ тельные и осушительные системы. При этом вносятся существенные антропогенные помехи в биогеохимические круговоро ты биогенных элементов. Основное условие формирования высоких урожаев — наличие в почве питательных элементов в доступных формах ив должном соотношении. Основными биогенными элементами являются углерод, азот, фосфор, калий и т. д. Естественные биоценозы — это устойчивые саморегулирующиеся системы, тогда как агробиоценозы — это системы с разрушенными обратными связями, которые могут существовать только при целенаправленной регулирующей деятельности человека. Интенсификация сельскохозяйственной деятельности человека и прежде всего химизация вызывают изменения в устоявшихся процессах превращения веществ и энергии в природе. Значительные потери веществ, например азота, происходят в результате их улетучивания из почвы и вымывания. К началу нового тысячелетия ожидаемые на планете потери азота, входящего в состав удобрений, составили более 40 млн т/г. Обогащение биосферы азотом за счет удобрений опасно, так как это ведет к накоплению токсичных азотсодержащих органических соединений. К канцерогенным соединениям, появление которых обусловлено неправильной химизацией сельского хозяйства, относятся га-нитрозосоединения. Как правило, они вызывают образование злокачественных опухолей печени, желудка, легких и других органов, обладают мутагенными эмбриотоксическим действиями. /г-Нитрозосоединения R^RgN—N0 2 могут образовываться в содержимом желудка человека, если в него одновременно попадают нитрит N 0 2 и вторичный амин R X R 2 NH. Образование этих соединений происходит при участии различных микроорганизмов. Для земледелия особенно важен баланс фосфора в экологических системах. Фосфор — важнейший биогенный элемент, и его дефицит резко снижает продуктивность растений. Фосфор не имеет естественных источников пополнения запаса в почве. Восполнение потерь возможно только путем внесения фосфорных и органических удобрений. В круговорот фосфора в биосфере вовлечены почва, вода и растения. Потери фосфора в экосистемах происходят в результате изъятия его сур о ж а ем и за счет эрозии почвы. 9 . 1 . Антропогенное воздействие на биосферу 4 1 5 Подкисление почв, вызываемое выпадением кислотных осадков, переводит фосфор в формы, недоступные для растений. Высокое естественное содержание калия в почвах обычно не лимитирует урожаи, однако в ряде природных зон повышенные дозы азота и фосфора на сельскохозяйственных угодьях приводят к отрицательному балансу калия. Сегодня человечество уже не может использовать экстенсивный путь развития сельского хозяйства, в тоже время интенсивный путь, основанный на поддержании и повышении плодородия почв, связан с обязательным применением удобрений. Однако при нарушении технологии использования удобрений их неблагоприятное воздействие на окружающую природную среду многосторонне сказывается на различных компонентах биосферы. При этом может происходить нарушение круговорота и баланса питательных веществ, снижение плодородия почв снижение урожаев сельскохозяйственных культур и качества продуктов развитие грибковых и других заболеваний растений, рост сорняков из-за нарушения соотношения макро- и микроэлементов в почве попадание питательных элементов удобрений и почвы со стоками в грунтовые воды, а далее в поверхностные водоемы, что вызывает их эвтрофикацию; проникновение в стратосферу оксидов азота, образующихся при денитрификации азотных соединений почвы и удобрений, способствует разрушению озонового слоя. Одним из видов антропогенного воздействия на почву является усиление (ускорение) процессов водной и ветровой эрозии Эрозия — процесс разрушения и переотложения почвенных частиц воздушными или водными потоками. Эрозия почвы происходит ив естественных условиях, однако она значительно ускоряется вследствие антропогенного воздействия на экосистемы, выражающегося в чрезмерной и неправильной распашке земли, в том числе без учета рельефа, сведения лесов, непроведения противоэрозионных агрохимических мероприятий. В зависимости от причин возникновения этого процесса различают ветровую, водную и техногенную эрозию. Водная эрозия может быть плоскостной, при которой разрушается поверхностный слой почвы, и линейной, вызывающей процесс разрушения почвенного профиля в глубину и почвообразую- 4 1 6 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ щих пород. Борьбе с эрозией почв способствует безотвальная обработка земли, контурная и полосная вспашки, террасиро вание, создание ветрозащитных полос. Ущерб плодородию почв наносят нерегулируемые ливневые осадки и паводки, ненормированный выпас скота, распашка целинных и залежных земель, проводимая без учета возможной эрозии. В сельском хозяйстве США площадь эро- зированных земель составляет около 40% всей пашни. За год с сельскохозяйственных угодий только вода уносит почти 3 млрд т плодородной земли. Большая часть унесенного слоя оседает в реках, озерах и искусственных водоемах, что наносит ущерб водным биоценозам. Большие территории ранее плодородных целинных земель, освоенные под пашню, становятся бесплодными из-за неправильной обработки. Оставаясь лишенными на длительное время какой-либо растительности, эти земли оголены ветрами, унесшими верхний гумусовый слой. Превратились в пустыню обработанные в х годах XX в. большие территории в Техасе (США, часть целинных земель Казахстана. Усилению эрозии почвы, обмелению реки озер способствует вырубка лесов Средняя скорость сведения лесов в Юго-Вос точной Азии составляет 7,1 млн гаг, в США. — 2,8 млн гаг. Так, на северо-востоке Индии у отрогов Гималаев расположено местечко Черапунджи, где ежегодный уровень выпадения осадков составляет до 9150 мм. Ныне над этим влажным царством нависла угроза недостатка влаги и даже превращения его в пустыню. Причина — активная вырубка лесов, продолжающаяся уже 25 лет. В результате сведения лесов почва, лишенная растительного покрова, слабо поглощает осадки, ив сезон дождей плодородный слой легко вымывается. Известняки, наиболее распространенная в Черапунджи геологическая порода, оголяются и подвергаются растворению кислыми дождями. В результате образуются карстовые провалы, активно поглощающие воду. В ряде стран сокращение земель, используемых в сельском хозяйстве, происходит из-за чрезмерного выпаса скота в Аргентине и Чили из-за этого выведено из использования свыше 100 млн га некогда обрабатываемых земель. Выпас скота привел в негодность пастбища и способствует продвижению пустынь в Ираке, Сирии, Индии. Значительно снижает плодородие почв их засоление — повышение содержания легкорастворимых солей. Оно может быть вызвано, например, привнесением солей грунтовыми и поверх 9 . 1 . Антропогенное воздействие на биосферу 417 ностными водами. Наиболее часто засоление вызывается нерациональной системой орошения земель. Почвы считаются засоленными при содержании в них более 0 , 1 % по массе солей, токсичных для растений. Высок процент засоления почв районов древнего орошаемого земледелия в долине Нила засолено более 8 0 % земель, в долине реки Инд — около 6 7 % . Засолению почвы на больших площадях способствует строительство водохранилищ, вызывающее повышение уровня грунтовых вод. В VI в. нашей эры начался быстрый рост поселений. С этого времени человек планомерно отторгает уди кой природы участки лесов, лугов и других естественных экосистем для возведения городов и поселков, строительства дорог, промышленных предприятий, свалок и т. д. Происходящее враз витых странах сокращение удельного количества пашни, приходящегося надушу населения, обусловлено также изъятием земель для промышленных нужд. Ежегодно в США болеем л н га сельскохозяйственных угодий уходит на строительство новых районов городов, поселков, автострад и другие виды хозяйственной деятельности. В Японии, расположенной на островах и обладающей земельными ресурсами, весьма ограниченно пригодными для сельскохозяйственного использования, в период с 1968 по 1974 гг. ежегодно терялось 4 0 — 6 0 тыс. га угодий за счет отторжения земель под жилищное и промышленное строительство, прокладки коммуникаций, разбивки парков и искусственных насаждений. Значительное загрязнение плодородного слоя почвы и отчуждение сельскохозяйственных земель вызывает складирование и (или) захоронение промышленных и бытовых твердых отходов. Основная масса твердых отходов образуется на предприятиях следующих отраслей горной и горно-химической промышленности (отвалы, шлаки, хвосты черной и цветной металлургии ( шлаки, шлам ы , пыль и т. д металлообрабатывающих отраслей (отходы, стружка, бракованные изделия лесной и деревообрабатывающей промышленности отходы лесозаготовки, опилки, стружка энергетической — тепловые электростанции (зола, шлаки химической и смежных отраслей промышленности шлам ы , фосфогипс, шлаки, стеклобой, пластмассы, резина и т. п 14 Экология 4 1 8 Глава 9. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ пищевой промышленности (кости, шерсть и т. п легкой и текстильной промышленности. Накопление значительного количества твердых отходов во многих отраслях обусловлено существующим уровнем промышленных технологий, не предусматривающих комплексной переработки сырья. Многие технологии предусматривают использование не более 8—10% сырья, а некоторые даже менее 1% от добытого. Все остальное поступает в отходы или отвалы. Помимо того что промышленные отходы занимают значительную территорию, они служат источником химического загрязнения почвы, гидросферы и атмосферы. Стекающие с гор отвалов атмосферные осадки преимущественно загрязнены химически активными и вредными для биосферы веществами. Это ведет к формированию вокруг отвалов и хранилищ зараженных зон. Загрязняющие вещества попадают в грунтовые воды и поверхностные водоемы. Всухую погоду отвалы пылят, а отвалы угольных шахт даже самовозгораются, что загрязняет атмосферу. Ежегодное потребление минерального сырья в мире составляет более 100 млрд т. В результате столь интенсивного использования недр Земли облик планеты сильно изменился. В промышленно развитых районах сформировался антропогенный ландшафт значительно отличающийся от природного. Это привело к существенному изменению (упрощению) био ценозов, свойственных таким районам. К твердым отходам также относится обезвоженный активный ил, образующийся на очистных сооружениях промышленных предприятий иго родов. Для обезвреживания наиболее токсичных неутилизируе- мых твердых и жидких отходов промышленности, содержащих хром, кадмий, свинец, ртуть, цианистые соединения, пестициды, отработанные катализаторы и т. п, производят их захоронение на специально оборудованных полигонах. Проблема утилизации твердых бытовых отходов — одна из острейших экологических проблем, стоящих перед городами и особенно перед крупными, где на одного жителя в год образу- Ландшафт антропогенный — ландшафт, преобразованный хозяйственной деятельностью человека, при этом связь природных компонентов изменена в такой степени, что на месте ранее существовавшего природного комплекса складывается новый, развитие которого контролируется человеком. Считается, что в настоящее время антропогенные ландшафты занимают около половины территории суши. 9 . 1 . Антропогенное воздействие на биосферу 4 1 9 ется 200—750 кг твердых бытовых отходов. Примерно треть этого количества составляют пищевые отходы, а еще треть — бумага и картон. Постепенно растет содержание в бытовых отходах пластических масс. При сжигании бытовых отходов, содержащих полимерные материалы, возможно образование весьма токсичных соединений, например диоксинов |