Егоров Экохимия. В. В. Егоров
 Скачать 2.47 Mb.
|
|
САНКТ ПЕТЕРБУРГ•МОСКВА•КРАСНОДАР 2009 В. В. ЕГОРОВ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Рекомендовано Учебно методическим объединением высших учебных заведений Российской Федерации по образованию в области зоотехнии и ветеринарии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 10401 — «Зоотехния» и 111201 — Ветеринария © Издательство Лань, 2009 © В. В. Егоров, 2009 © Издательство «Лань», художественное оформление, Охраняется законом РФ об авторском праве. Воспроизведение всей книги или любой ее части запрещается без письменного разрешения издателя. Любые попытки нарушения закона будут преследоваться в судебном порядке. Обложка А. Ю. ЛАПШИН ББК Е Егоров В. В. Е Экологическая химия Учебное пособие. — СПб.: Издательство Лань, 2009. — 192 сил (Учебники для вузов. Специальная литература 978 5 8114 0897 Учебное пособие предназначено для студентов сельскохозяйственных вузов, в том числе ветеринарного профиля. Оно содержит сведения по экологической химии — важному разделу экологии. Эти сведения необходимы не только для освоения данного предмета и осознания роли экологии в природе, но и как основа для понимания таких специальных разделов, как ветеринарная и биоэкология, фармакология, зоогигиена и др. Представлены основные понятия экологической химии, ее фундаментальные концепции и законы, а также принципы биологической экологии. Пособие построено по определенному плану, заключающемуся в последовательном рассмотрении различных сфер природы Земли: атмосферы, гидросферы, педосферы и биосферы, что помогает глубже понять их особенности и взаимодействие. В заключительном разделе приведены положения международного права и организации, отвечающие за сотрудничество в данной области. ББК Рецензенты профессор кафедры системной экологии экологического факультета РУДН ОРЛОВА В. С.; заведующий кафедрой химии и биохимии Харьковской государственной зооветеринарной академии, д. б. н, профессор ЖЕГУНОВ Г. Ф.; заслуженный профессор МГУ, академик, ректор ОЭУ, эксперт ООН по проблемам химической безопасности ПЕТРОСЯН В. С.; профессор кафедры фармакологии и токсикологии МГАВМиБ имени К. И. Скрябина, д. в. н. УРАЗАЕВ ДН ПРЕДИСЛОВИЕ В основу учебника положен курс лекций по экологической химии, прочитанный автором в 2000–2007 годах в Московской ветеринарной академии (ФГОУ ВПО МГАВМиБ имени К. И. Скрябина) на биологическом факультете. Цель этого курса — показать студентам сельскохозяйственных вузов — биологам, медикам, ветеринарам, зоотехникам всю важность экологии и ее раздела — экологической химии — в современном мире. Задача курса дать будущим специалистам, биологами ветеринарам, фундаментальные знания по экологической химии — действенный механизм в борьбе с загрязнениями окружающей среды, их последствиями для организмов. Следует заметить, что недалеко то время, когда лечить и животных, и растения, и человека придется по большей части от заболеваний, связанных с загрязнениями окружающей среды, вызванными антропогенным воздействием. Так, по данным статистики, только в 2007 году заболевших в результате экологических нарушений в России зафиксировано около 400 000 человек. Поэтому уже сегодня мы должны готовить грамотных специалистов биоэкологов. Ученые отмечают, что физики изобретают оружие, грозящее смести жизнь с нашей планеты химики загрязняют окружающую среду в глобальном масштабе биологи дают жизнь новым, неведомым микроорганизмам, не представляя последствий их появления на свет психологии другие ученые истязают животных во имя научного прогресса вся эта непрекращающаяся деятельность наводит на мысль о незамедлительном введении эколого этических законов в современную науку (Ф. Капра). ВВЕДЕНИЕ Экология — эта наука, возникшая сравнительно недавно, всего какое то столетие назад. Но она быстро завоевала умы человечества. И это понятно, ведь с греческого «ойкос логос переводится как наука о нашем доме (Геккель перевел это название как животное у себя дома. Это учение о мире, который нас окружает, о том, как он влияет на нас, а мы — на него. Соблюдаем ли мы правила общежития в этом мире и чем чревато их нарушение — вот что волнует каждого из нас. Одним из основоположников экологии и конкретно учения о биосфере был наш академик Владимир Иванович Вернадский (1863–1945). Нет, неон первым обратил внимание на антропогенное, в частности и биогенное, влияние вообще на окружающую природу, но он поставил этот вопрос во главу угла. Именно ему принадлежит фраза Наземной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом. Он предостерегала его последователи призывали народы и правительства к защите окружающей среды — дома, в котором мы живем. Почему же эта наука не возникла раньше, одновременно с другими естественными дисциплинами Дело в том, что человек долго не замечал негативных последствий своей деятельности, пока они не стали настолько явными, что пришлось бить тревогу. Сегодня ученые говорят во всеуслышание, что нарушение нами среды обитания — это бом ВВЕДЕНИЕ 5 ба замедленного действия. Нас уничтожат не вирусы и не инопланетяне, а, если не остановимся, мысами Как тут не вспомнить басню Крылова о свинье под дубом вековым, подрывающей его корни. Когда же Земля почувствовала присутствие на ней живых существ и когда возникли столь явные нарушения Когда тов добиологический период существования Земли ее атмосфера была восстановительной и весь мир был в равновесии. Нос появлением организмов, в первую очередь фотосинтезирующих, и накоплением кислорода оно нарушилось. В конце концов атмосфера, аза ней и гидросфера стали окислительными, а литосфера, ее поверхность окисленной. То есть тогда, около двух–трех миллиардов лет назад, живое вещество активно включилось в окружающие сферы и стало неотъемлемой частью природы. Ив этом новом мире опять установилось равновесие. Но прошли те самые миллиарды лети где то с середины начала XIX века новое, теперь уже антропогенное воздействие стало активно внедряться в природу началась научно техническая эра человечества. И опять равновесие было нарушено, а окружающая среда стала изменяться, и, к сожалению, не в лучшую сторону. Человек потреблял, мало что давая взамен. Что мы успели испортить вокруг за эти два столетия? Атмосфера: озоновые дыры, кислотные дожди, смоги и парниковые газы. Вода: загрязнение водных бассейнов и потеря многих источников пресной воды, эвтрофикация, те. старение и гибель водоемов плюс создание условий для развития патогенной микрофлоры. Почва: бездумные агрономические мероприятия плюс активная химизация народного хозяйства, в результате болота, солончаки, пустыни, эрозии разных типов. Здесь же литосфера только за последние 30 лет планета потеряла своих естественных ресурсов. Организмы: нарушение естественных функций, подавление иммунитета как созданием новых пород, сохранением ослабленных форм, таки лекарствами, отходами ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ «большой химией — от удобрений до ядохимикатов — и просто ядами — химическим оружием. А бактериологическое, а ядерное оружие То есть дело дошло до прямого уничтожения жизни. Но природа стремится себя сохранить, противодействуя нашим новациям. В результате — новые болезни и эпидемии, эпизоотии, эпифитотии — массовая гибель организмов, сокращение сферы обитания, увеличение численности и усиление хищников и прочее, и прочее. В связи со сказанным термин экология проник во многие дисциплины, как естественные, таки гуманитарные. Все, что мы творим себе и природе на благо и во вред, оказывается в поле зрения этой науки. Есть экология как самостоятельное направление в биологии, но есть экологическая физика и экологическая химия, промышленная (инженерная), сельскохозяйственная, медицинская, ветеринарная экология и др. Не за горами время, когда появятся экологическая филология (наука о грязи в нашем языке, экологическая математика и информатика (наука о создании программ — барьеров на пути теоретических разработок, способных нас уничтожить, вирусов против негативных последствий Интернета) и т. д. Глобальные последствия — как много сегодня говорится об этом, но, к сожалению, делается гораздо меньше. И вот прогноз грядущее глобальное потепление, аза ним затопление огромной части суши со всеми вытекающими последствиями. Но это лишь прогноза реально В последнее время на планете резко увеличилось количество природных катаклизмов — штормов, цунами, смерчей, которые несут разрушение и гибель. Но всели они природные? По оценкам ученых, масштабное выделение парниковых газов в развитых странах приводит к повышению (в промышленных и густонаселенных районах) и дисбалансу температуры, в частности, между сушей и морем (например, в США). Это может стать причиной тех самых движений громадных воздушных масс, которые приводят к штормами смерчам. Но экология — это не только проблема загрязнений. Она включает в себя любое воздействие окружающей при ВВЕДЕНИЕ 7 роды на организм и наоборот. Тем не менее главное сегодня это, конечно, поиск источников ее нарушений и путей избавления от них и их последствий, те. поиск выхода из создавшейся ситуации, когда мы фактически поставили себя на грань самоуничтожения. Что то уже вернуть нельзя. Это исчезнувшие бесследно породы растений и рыб, животных и птиц — целая черная книга. Но есть еще «Красная книга, в которую включено все, что на грани уничтожения. И мы в состоянии, мы должны это сохранить, переходя к новой эре — по Вернадскому, к ноосфере, или сфере разума, когда человечество будет жить по законам природы, а значит, в союзе с ней. Охрана природы подразумевает совокупность государственных и общественных мероприятий, направленных на сохранение атмосферы, вод, земных недра также растений, животных и человека. Все это в целях гармоничного взаимодействия природы и общества, во имя живущих и будущих поколений. В истории формирования природоохранной концепции можно выделить несколько этапов видовая и заповедная охрана природы охрана ресурсов охрана среды обитания человека. Охрана окружающей среды, защита окружающей природной среды, охрана биосферы, экологическая безопасность все эти термины означают жизненно важные интересы человека, его право на благоприятную окружающую природную среду ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И КОНЦЕПЦИИ 1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭКОЛОГИИ Как любая наука, экология имеет свой язык. Начнем с главных понятий. Экология — наука об окружающей среде, взаимодействии с ней живых организмов, а также о влиянии организмов друг на друга. Экологическая химия (по Барбье) — наука о химических взаимодействиях между живыми организмами, атак же между живой и неживой природой. Автотрофы (продуценты организмы, использующие (потребляющие) минеральные вещества, воду и углекислый газ для получения органического вещества (и ки слорода). Гетеротрофы (консументы организмы, потребляющие органическое вещество. Консументы первого рода употребляют растительную пищу, второго — животную, те. первых, и т. д. Метаболиты — продукты жизнедеятельности орга низма. Аэробы — организмы, использующие для дыхания ки слород. Анаэробы — организмы, использующие другие соеди нения. Прокариоты — безъядерные организмы, клетки. Эукариоты — организмы, клетки, содержащие ядро. Биогены — вещества, необходимые для жизнедеятельности (кислород, вода, соединения азота, фосфора и др.). Загрязнение окружающей среды привнесение новых, не характерных для нее физических, химических и био 1 Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И КОНЦЕПЦИИ 9 логических агентов, или превышение естественного уровня естественных метаболитов. Поллютанты — загрязняющие вещества. Из них наиболее опасными считаются тяжелые металлы, радионуклиды, ароматические, хлор и фосфорорганические соединения, нитрозамины и др. Ксенобиотики — вещества, несвойственные самой природе. Экохимическая защита наука об источниках и путях химических загрязнений окружающей среды, их последствиях и способах устранения. Биота — совокупность всех живых организмов в при роде. Популяция — группа организмов определенного вида, управляемая общими экологическими законами. Примерами популяций являются сосновый бор, ромашки в поле, стая волков и др. Биоценоз (по Мебиусу) — взаимосвязь и взаимовлияние популяций растений (фитоценоз) и животных (зо оценоз). Биогеоценоз — биоценоз и среда его обитания. Биома — территория, занятая организмами (сообществом, популяцией, живущими по законам биоценоза. Гомеостаз (по Кэннону) — постоянство среды обитания и внутренней среды в организме. Оно поддерживается саморегуляцией, основанной на замкнутых циклах. 1.2. УЧЕНИЕ ВЕРНАДСКОГО О БИОСФЕРЕ Биосфера — сумма всех биогеоценозов, или биота плюс биома. По В. И. Вернадскому, биосфера — это область жизни, объединяющая живое и косное (неорганическое) вещество. Между ними идет постоянный обмен веществом и энергией путем дыхания, питания организмов и пр. Биокосным Вернадский называл вещество, появившееся при участии организмов и состоящее из живого и косного вещества, например почва ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Главная заслуга Вернадского — создание учения о био сфере. Учение о биосфере (по Вернадскому. Живое вещество более или менее равномерно распределено наземной поверхности, те. оно непрерывно в пространстве, а также во времени. В нем сконцентрирована энергия, полученная от солнца, так как любой организм — это продукт преобразования солнечной энергии в энергию органических соединений. Таким образом, жизнь на Земле связана с космосом. Организмы на Земле выполняют строго определенные биогеохимические функции, необходимые для поддержания жизни. Они создают определенное давление на окружающую среду, изменяют течение химических реакций, участвуют в круговороте химических элементов и пр. Можно сказать, что организмы — это реальная химическая силана Земле. Биосфера с необходимостью переходит в ноосферу, или сферу разумной деятельности человека. Рассмотрим последовательно перечисленные положения. Что касается первого, то действительно организмы заполняют поверхность планеты, адаптируясь к конкретным условиям. Они находятся в ее глубине ив воздухе. При этом их история на Земле непрерывна, о чем свидетельствуют данные геологии. Говоря о роли солнца, надо отметить, что его излучение является постоянно действующим фактором на нашей планете. Солнце участвовало в образовании первых органических молекул (левовращающие органические соединения продукт левого вращения плоскости поляризации электромагнитного солнечного излучения. Оно является основным источником энергии для их синтеза сегодня (фотосинтез. Его ритмы определяют ряд биоритмов и макроциклов в органической и неорганической среде планеты (суточный ритм, месячный цикл, циклы Чи жевского и пр.). Что касается космоса, тоне будем забывать о гипотезах, в том числе В. И. Вернадского, связывающих с ним происхождение жизни на Земле. И сегодня мы постоянно Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И КОНЦЕПЦИИ 11 находимся в зоне действия космических частиц протонов, альфа частиц — 8% плюс атомы элементов, а также космическая пыль и метеориты) и излучений. Если с первыми мы встречаемся относительно редко, то вторые все время оказывают влияние на биосферу нашей планеты, во многом определяя ее состояние. Причем магнитное поле Земли и озоновый экран защищают нас от наиболее губительных воздействий. Итак, космос постоянно воздействует на биосферу. Но и мы, в свою очередь, начинаем активно внедряться в космос, влияя на него. «Всюдность, вечность и безначальность космической жизни тесно связаны с ее организацией, так говорил Вернадский, определяя роль организмов и их сообществ во Вселенной. Второе положение вполне очевидно. Мы уже отмечали, что организмы включены в природу Земли, являясь ее неотъемлемой составляющей. Они изменили все сферы и сегодня играют важнейшую роль по поддержанию (а где то нарушению) равновесия в этих сферах, о чем мы будем говорить на протяжении всего курса. Касательно ноосферы, ее непременного наступления на Земле, Вернадский сформулировал условия, необходимые для ее формирования заселение человеком всей Земли создание эффективных средств связи и обмена между странами усиление всех связей на Земле преобладание роли антропогенных над другими процессами в биосфере открытие новых источников энергии равенство всех людей усиление роли народных масс в политике создание условий для свободы научной мысли подъем благосостояния народа и его образование разумное преобразование природы в интересах человека исключение войн из жизни людей. Действительно, анализ показывает, что ряд условий уже выполнен или выполняется. Но этого пока недостаточно ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ для наступления новой эры — эры сформированной ноо сферы. К сказанному надо добавить следующее как для любой косной или химической системы характерно стремление к равновесию, его поддержанию (принцип Ле Шате лье–Брауна), так для любой живой биохимической системы характерно сохранение ее гомеостаза. Это равновесие, или гомеостаз, поддерживается за счет саморегуляции биологической системы. Без нее невозможно сохранение жизни как отдельного организма, таки его популяции. Если взять, например, популяцию хищников (на данной территории, то их численность за счет саморегуляции постоянно поддерживается на должном уровне. Если она станет больше, то всем не будет хватать пищи. В результате — гибель наиболее слабых, и численность возвращается к норме. Если она станет меньше, то пищи (животных, которыми питаются хищники) станет больше, что приведет к росту самой популяции, восстановлению ее нормальной численности и т. д. Заметим, что преодоление определенных критических пределов может привести к гибели популяции если она значительно ниже нормы, тов результате уничтожения соседями, а если заметно выше, тов результате голода и болезней (также возможно не без помощи соседей). Что касается экологической взаимосвязи и взаимозависимости (все связано совсем, тона это мы уже обращали внимание и будем отмечать неоднократно и далее. |