«Краткий курс экологии Министерство науки и образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт – Петербургский государственный университет технологии и ...»

Границы биосферы в большой степени условны. Обычно считают, что верхняя граница биосферы находится на высоте 22—24 км от поверхности Земли, где образуется озоновый экран. Здесь свободный кислород под влиянием солнечной радиации превращаются в озон, который образует экран и отражает губительные для живых организмов космические излучения и частично ультрафиолетовые лучи. Нижняя граница биосферы проходит по литосфере на глубине 3—4 км, а по гидросфере по дну Мирового океана, местами свыше 11 км. Более широкое распространение живых организмов ограничено лимитирующими факторами. Так, проникновению вверх препятствует космическое излучение, а проникновению вглубь — высокая температура земных недр (изотерма 100 оС).

В.И. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, включающую наряду с организмами и среду их обитания. Он выделил в биосфере 7 разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ. По В.И. Вернадскому, вещество биосферы состоит из нескольких компонентов:

1. Живое вещество — совокупность всех живых организмов, населяющих нашу планету.

2. Косное вещество — совокупность всех неживых тел, образующихся в результате процессов, не связанных с деятельностью живых организмов (породы магматического и метаморфического происхождения, некоторые осадочные породы).

3. Биогенное вещество — совокупность неживых тел, образованных в результате жизнедеятельности живых организмов (некоторые осадочные породы: известняки, мел и др., а также нефть, газ, каменный уголь, кислород атмосферы и др.).

4. Биокосное вещество — совокупность биокосных тел, представляющих собой результат совместной деятельности живых организмов и геологических процессов (почвы, илы, кора выветривания и др.).

5. Радиоактивное вещество.

6. Рассеянные атомы.

7. Вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль).

Масса живого вещества составляет лишь 0,01 % от массы всей биосферы. Тем не менее живое вещество биосферы — это главнейший ее компонент.

Важнейшим свойством живого вещества является способность к воспроизводству и распространению по планете. Живое вещество распространено в биосфере неравномерно: пространства, густо заселенные организмами, чередуются с менее заселенными территориями.

Наибольшая концентрация жизни в биосфере наблюдается на границах соприкосновения земных оболочек: атмосферы и литосферы (поверхность суши), атмосферы и гидросферы (поверхность океана), гидросферы и литосферы (дно океана), и особенно на границе трех оболочек — атмосферы, литосферы и гидросферы (прибрежные зоны). Эти места наибольшей концентрации жизни В.И. Вернадский назвал «пленками жизни». Вверх и вниз от этих поверхностей концентрация живой материи уменьшается.

Живое вещество обеспечивает биогеохимический круговорот веществ и превращение энергии в биосфере. Выделяют следующие основные геохимические функции живого вещества:

1. Энергетическая (биохимическая) — связывание и запасание солнечной энергии в органическом веществе, и последующее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества. Эта функция связана с питанием, дыханием, размножением и другими процессами жизнедеятельности организмов.

2. Газовая — способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом.

3. Концентрационная — «захват» из окружающей среды живыми организмами и накопление в них атомов биогенных химических элементов.

Концентрационная способность живого вещества повышает содержание атомов химических элементов в организмах по сравнению с окружающей средой на несколько порядков. Содержание углерода в растениях в 200 раз, а азота в 30 раз превышает их уровень в земной коре. Содержание марганца в некоторых бактериях может быть в миллионы раз больше, чем в окружающей среде. Результат концентрационной деятельности живого вещества — образование залежей горючих ископаемых, известняков, рудных месторождений и т.п.

4. Окислительно-восстановительная — окисление и восстановление различных веществ с помощью живых организмов. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, S, Р, N и др.), создаются их новые соединения, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование сероводорода и т.п.

5. Деструктивная — разрушение организмами, как остатков органического вещества, так и косных веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют редуценты (деструкторы) — сапротрофные грибы и бактерии.

6. Транспортная — перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Такой перенос может осуществляться на огромные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например, в местах их скопления (птичьи базары и другие колониальные поселения).

7. Средообразующая — преобразование физико-химических параметров среды. Эта функция является в значительной мере интегральной — представляет собой результат совместного действия других функций. Она имеет разные масштабы проявления. Результатом средообразующей функции является и вся биосфера, и почва как одна из сред обитания, и более локальные структуры.

8. Рассеивающая — функция противоположная концентрационной — рассеивание веществ в окружающей среде. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, смене покровов и т.п. Железо гемоглобина крови рассеивается кровососущими насекомыми.

9. Информационная — накопление живыми организмами определенной информации, закрепление ее в наследственных структурах и передача последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.

10. Биогеохимическая деятельность человека — превращение и перемещение веществ биосферы в результате человеческой деятельности для хозяйственных и бытовых нужд человека. Например, использование концентраторов углерода — нефти, угля, газа и др.

Целостность биосферы обусловлена тесной взаимосвязью слагающих ее компонентов. Она достигается круговоротом вещества и энергии. Изменение одного компонента неизбежно приводит к изменению других и биосферы в целом. При этом биосфера — не механическая сумма компонентов, а качественно новое образование, обладающее своими особенностями и развивающееся как единое целое, биосфера — система с прямыми и обратными (отрицательными и положительными) связями, которые, в конечном счете, обеспечивают механизмы ее функционирования и устойчивости.

Центральным звеном биосферы выступают живые организмы (живое вещество). Это свойство, к сожалению, часто недооценивается человеком и в центр биосферы ставится только один вид — человек (идеи антропоцентризма).

Биосфера способна возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмущения, создаваемые внешними и внутренними воздействиями, включением определенных механизмов. Гомеостатические механизмы биосферы связаны в основном с живым веществом, его свойствами и функциями. Биосфера за свою историю пережила ряд таких возмущений, многие из которых были значительными по масштабам (извержения вулканов, встречи с астероидами, землетрясения и т.п.).

Гомеостатические механизмы биосферы подчинены принципу Ле ШательеБрауна: при действии на систему сил, выводящих ее из состояния устойчивого равновесия, последнее смещается в том направлении, при котором эффект этого воздействия ослабляется.

Биосфера проявляет ритмичность развития — повторяемость во времени тех или иных явлений. В природе существуют ритмы разной продолжительности. Основные из них — суточный, годовой, внутривековые и сверхвековые. Суточный ритм проявляется в изменении температуры, давления и влажности воздуха, облачности, силы ветра, в явлениях приливов и отливов, циркуляции бризов, процессах фотосинтеза у растений, поведении животных. Годовая ритмика — это смена времен года, изменения в интенсивности почвообразования и разрушения горных пород, сезонность в хозяйственной деятельности человека. Суточная ритмика, как известно, обусловлена вращением Земли вокруг оси, годовая — движением Земли по орбите вокруг Солнца. Разные экосистемы обладают различной суточной и годовой ритмикой. Годовая ритмика лучше всего выражена в умеренном поясе и очень слабо — в экваториальном. Наблюдаются и более продолжительные ритмы (11, 22-23, 80—90 лет и др.). Ритмические явления не повторяют полностью в конце ритма того состояния природы, которое было в его начале. Именно этим и объясняется направленное развитие природных процессов.

Биосфера — открытая система. Ее существование невозможно без поступления энергии извне. Основная доля приходится на энергию Солнца. В отличие от количества солнечной энергии, количество атомов вещества на Земле ограничено. Круговорот веществ обеспечивает неисчерпаемость отдельных атомов химических элементов. При отсутствии круговорота, например, за короткое время был бы исчерпан основной «строительный материал» живого — углерод.

Общебиосферной закономерностью является горизонтальная зональность — закономерное изменение природной среды по направлению от экватора к полюсам. Зональность обусловлена неодинаковым количеством поступающего на разные широты тепла в связи с шарообразной формой Земли. Зональный климат, воды суши и океана, процессы выветривания, некоторые формы рельефа, образующиеся под влиянием внешних сил (поверхностных вод, ветра, ледников), растительность, почвы, животный мир.

Наиболее крупные зональные подразделения — географические пояса.

Они отличаются друг от друга температурными условиями, а также общими особенностями циркуляции атмосферы, почвенно-растительного покрова и животного мира. На суше выделяются следующие географические пояса:

экваториальный и в каждом полушарии субэкваториальный, тропический, субтропический, умеренный, а также в Северном полушарии субарктический и арктический, а в Южном — субантарктический и антарктический.

Аналогичные по названию пояса выявлены и в Мировом океане.

Географические пояса протягиваются преимущественно в широтном направлении.

Внутри поясов по соотношению тепла и влаги выделяются природные зоны, названия которых определяются по преобладающему в них типу растительности. Так, например, в субарктическом поясе это зоны тундры и лесотундры, в умеренном поясе — зоны лесов, лесостепи, степи, полупустынь и пустынь, в тропическом поясе — зоны лесов, редколесий и саванн, полупустынь и пустынь. Как правило, они совпадают с основными и переходными типами природных экосистем (биомами и экотонами). В связи с неоднородностью земной поверхности, а, следовательно, и увлажнения в различных частях материков зоны не всегда имеют широтное простирание.

Зональность характерна и для Мирового океана. От экватора к полюсам изменяются свойства поверхностных вод (температура, соленость, плотность и прозрачность, интенсивность волнения и др.), а также состав растительности и животного мира.

Высотная поясность — закономерная смена природной среды с подъемом в горы от их подножия до вершин. Она обусловлена изменением климата с высотой: понижением температуры (на 0,6 °С на каждые 100 м подъема) и до определенной высоты (до 2—3 км) увеличением осадков.

Смена поясов в горах происходит в той же последовательности, как и на равнине при движении от экватора к полюсам. Отличием является присутствие в горах особого пояса субальпийских и альпийских лугов, которого нет на равнинах. Высотная поясность начинается в горах с аналога той горизонтальной зоны, в пределах которой расположены горы. Так, в горах находящихся в степной зоне, нижний пояс горно-степной, в лесной — горно-лесной и т.д. Количество высотных поясов зависит от высоты гор и их местоположения.

Биосфера — система, характеризующаяся большим разнообразием (рисунок 13). Это свойство обусловлено следующими причинами: разными средами жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной, организменной);

разнообразием природных зон, различающихся по климатическим, гидрологическим, почвенным, биотическим и другим свойствам; наличием регионов, различающихся по химическому составу (геохимические провинции); биологическим разнообразием живых организмов.

Рисунок 13 – Факторы устойчивости биосферы.

Разнообразие обеспечивает возможность дублирования, подстраховки, замены одних звеньев другими, степень сложности и прочности пищевых и другие связей. Поэтому разнообразие рассматривают как основное условие устойчивости любой экосистемы и биосферы в целом.

К сожалению, практически вся без исключения деятельность человека подчинена упрощению экосистем любого ранга. Сюда следует отнести и уничтожение отдельных видов или резкое уменьшение их численности, и создание агроценозов на месте сложных природных систем. Например, полностью исчезли с лица земли степи как тип экосистем и ландшафтов, резко уменьшились площади лесов (до появления человека они занимали примерно 70% суши, а сейчас — не более 20—23%). Идет дальнейшее, невиданное по масштабам, уничтожение лесных экосистем, особенно наиболее ценных и сложных тропических, спрямление русел рек, создание промышленных районов и т.п.

Простые экосистемы с малым разнообразием удобны для эксплуатации, они позволяют в короткое время получить значительный объем нужной продукции (например, с сельскохозяйственных полей), но за это приходится рассчитываться снижением устойчивости экосистем, их распадом и деградацией среды.

Биосфера Земли характеризуется определенным образом сложившимися круговоротом веществ и потоком энергии. Круговорот веществ — многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы Земли. Круговорот веществ осуществляется при непрерывном поступлении (потоке) внешней энергии Солнца и внутренней энергии Земли.

В зависимости от движущей силы, с определенной долей условности, внутри круговорота веществ можно выделить геологический, биологический и антропогенный круговороты. До возникновения человека на Земле осуществлялись только первые два.

Геологический круговорот (большой круговорот веществ в природе) — круговорот веществ, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы.

Эндогенные процессы (процессы внутренней динамики) происходят под влиянием внутренней энергии Земли. Это энергия, выделяющаяся в результате радиоактивного распада, химических реакций образования минералов, кристаллизации горных пород и т.д. К эндогенным процессам относятся: тектонические движения, землетрясения, магматизм, метаморфизм.

Экзогенные процессы (процессы внешней динамики) протекают под влиянием внешней энергии Солнца. Экзогенные процессы включают выветривание горных пород и минералов, удаление продуктов разрушения с одних участков земной коры и перенос их на новые участки, отложение и накопление продуктов разрушения с образованием осадочных пород. К экзогенным процессам относятся геологическая деятельность атмосферы, гидросферы (рек, временных водотоков, подземных вод, морей и океанов, озер и болот, льда), а также живых организмов и человека.

Крупнейшие формы рельефа (материки и океанические впадины) и крупные формы (горы и равнины) образовались за счет эндогенных процессов, а средние и мелкие формы рельефа (речные долины, холмы, овраги, барханы и др.), наложенные на более крупные формы, — за счет экзогенных процессов. Таким образом, эндогенные и экзогенные процессы противоположны по своему действию. Первые ведут к образованию крупных форм рельефа, вторые — к их сглаживанию.

Магматические горные породы в результате выветривания преобразуются в осадочные. В подвижных зонах земной коры они погружаются вглубь Земли. Там под влиянием высоких температур и давлений они переплавляются и образуют магму, которая, поднимаясь на поверхность и застывая, образует магматические породы.

Таким образом, геологический круговорот веществ протекает без участия живых организмов и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими слоями Земли.

Биологический (биогеохимический) круговорот (малый круговорот веществ в биосфере) — круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов. В отличие от большого геологического, малый биогеохимический круговорот веществ совершается в пределах биосферы. Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. В экосистеме органические вещества синтезируются автотрофами из неорганических веществ. Затем они потребляются гетеротрофами. В результате выделения в процессе жизнедеятельности или после гибели организмов (как автотрофов, так и гетеротрофов) органические вещества подвергаются минерализации, то есть превращению в неорганические вещества. Эти неорганические вещества могут быть вновь использованы для синтеза автотрофами органических веществ.

В биогеохимических круговоротах следует различать две части:

1) резервный фонд — это часть вещества, не связанная с живым организмами;

2) обменный фонд — значительно меньшая часть вещества, которая связана прямым обменом между организмами и их непосредственным окружением.

В зависимости от расположения резервного фонда биогеохимические круговороты можно разделить на два типа:

1) круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере и гидросфере (круговороты углерода, кислорода, азота) представлены на рисунках 14, 15.

2) круговороты осадочного типа с резервным фондом в земной коре (круговороты фосфора, кальция, железа и др.) представлены на рисунках 16, 17.

Круговороты газового типа более совершенны, так как обладают большим обменным фондом, а значит, способны к быстрой саморегуляции.

Круговороты осадочного типа менее совершенны, они более инертны, так как основная масса вещества содержится в резервном фонде земной коры в «недоступном» живым организмам виде. Такие круговороты легко нарушаются от различного рода воздействий и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться опять в круговорот он может лишь в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом. Однако извлечь нужные живым организмам вещества из земной коры гораздо сложнее, чем из атмосферы.

Интенсивность биологического круговорота, в первую очередь, определяется температурой окружающей среды и количеством воды. Так, например, биологический круговорот интенсивнее протекает во влажных тропических лесах, чем в тундре. Кроме того, в тундре биологические процессы протекают только в теплое время года.

Рисунок 15 – Круговорот углерода в биосфере Круговорот воды относится к большому геологическому, а круговороты биогенных элементов (углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и других биогенных элементов) — к малому биогеохимическому.

С появлением человека возник антропогенный круговорот или обмен веществ. Антропогенный круговорот (обмен) — круговорот (обмен) веществ, движущей силой которого является деятельность человека. В нем можно выделить две составляющие: биологическую, связанную с функционированием человека как живого организма, и техническую, связанную с хозяйственной деятельностью людей (антропогенный круговорот).

Геологический и биологический круговороты в значительной степени замкнуты, чего нельзя сказать об антропогенном круговороте. Поэтому часто говорят не об антропогенном круговороте, а об антропогенном обмене веществ. Незамкнутость антропогенного круговорота веществ приводит к истощению природных ресурсов, загрязнению природной среды. Именно они и являются основной причиной всех экологических проблем человечества.

Рисунок 16 – Круговорот фосфора в биосфере.

Рисунок 17 – Круговорот серы в биосфере.

Атмосфера – это газообразная оболочка Земли, вращающаяся вместе с нею. Общая масса атмосферы оценивается величиной 5,141014 т, что составляет примерно одну миллионную часть массы Земли. Именно ограниченные размеры делают атмосферу весьма чувствительной к загрязнению.

Общий состав атмосферы почти одинаков по всей Земле в результате высокой степени массообмена в пределах атмосферы (таблица 3). В горизонтальном направлении перемешивание осуществляется благодаря вращению земли, а в вертикальном – вследствие нагревания поверхности Земли солнечным излучением.

По характеру изменения температуры с увеличением высоты в атмосфере различают несколько слоев, – тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу (или ионосферу) и экзосферу, – разделенных относительно узкими переходными зонами, которые называют паузами.

Следует отметить, что границы некоторых атмосферных слоев строго не фиксированы: их положение зависит от солнечной активности и количества поступающей от него радиации. Структура атмосферы показана ниже на рисунке 18.

Нижняя часть атмосферы называется тропосферой (90 % массы атмосферы). В тропосфере температура падает с высотой; солнечная энергия нагревает поверхность Земли, которая в свою очередь нагревает непосредственно прилегающий к ней воздух, вызывая конвекционное перемешивание. Это происходит потому, что теплый воздух, находящийся в контакте с поверхностью Земли, легче и имеет тенденцию подниматься. На высотах около 15 – 25 км атмосфера нагревается путем поглощения ультрафиолетового излучения кислородом (О2) и озоном (О3). Следствием повышения температуры с высотой является большая устойчивость верхней части атмосферы к вертикальному перемешиванию, поскольку тяжелый холодный воздух в ее основании не склонен подниматься.

Главные компоненты атмосферы представлены в таблице 3.

Таблица 3 Состав атмосферы вблизи земной поверхности Квазипостоянные компоненты «Активные» примеси 2.1.1 ЕСТЕСТВЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОЗДУХА Эволюция загрязнения атмосферы прослеживается в отложениях материковых льдов Гренландии и Антарктиды. Анализ керн льда с разной глубины показал, что в них содержатся загрязняющие примеси: соединения свинца, серы, меди, цинка, угольная зола и др. Содержание примесей свинца, серы и цинка с 1200 по 1900 гг. оставалось постоянным и составляло не более трети от содержания их в отложениях 1970 г. Зола обнаружена только в верхних слоях льда.

Загрязнение атмосферы естественным путем происходит в результате пыльных бурь, вулканической деятельности, лесных пожаров и т. д. Пыль, поднимаемая с поверхности, состоит из горных пород, почвы, остатков растительности и живых организмов (микроорганизмов, бактерий, грибов, спор). На высоте 1 – 2 км от поверхности Земли содержание пылевидных частиц (размером от одного до нескольких микрон) составляет 0,002 – 0, г/м3 (в случае пыльных бурь – 100 г/м3 и более). Источником загрязнения воздуха твердыми частицами может служить и Мировой океан.

Испарившиеся брызги превращаются в соли кальция, магния, натрия, калия и переносятся на большие расстояния.

Из межпланетного пространства в атмосферный воздух попадает космическая пыль диаметром 50 – 100 мкм. В течение суток на поверхность Земли оседает около 3 000 т космической пыли.

Живой лес играет большую роль в обмене газов с атмосферой. Основные газы атмосферы – О2 и СО2 – вовлечены в процессы дыхания и фотосинтеза.

Однако лесами выделяются также огромные количества следовых органических соединений: терпенов (пинена и лимонена), органических кислот, альдегидов и т. п.

Особенно важную роль в генерации атмосферных следовых газов играют микроорганизмы. Метан – газ, который выделяется в атмосферу вследствие протекания реакций в анаэробных системах.

Почвы Земли богаты соединениями азота, дающими начало активным химическим процессам с участием азота, в результате которых образуются многие азотсодержащие следовые газы. Мочевина (NH2CONH2) разлагается до аммиака (NH3) и СО2. При щелочной реакции выделяется газообразный NH3, тогда как в условиях кислой почвы он реагирует с протоном, образуя ион аммония. В природе протекают и другие реакции с участием соединений азота, в процессе которых образуются газы N2, N2O и NO.

Деятельность микроорганизмов в океанах также является мощным источником выделения газов в атмосферу. Морская вода обогащена растворенными сульфатами и хлоридами, в меньшей степени солями других элементов: фтора (F), брома (Вr), йода (I). Морские микроорганизмы используют эти элементы в метаболизме, в результате чего образуются соединения серы и галогенсодержащие газы.

Органические сульфиды, продуцируемые морскими микроорганизмами, вносят особо существенный вклад в накопление соединений серы в атмосфере, в том числе диметилсульфида (S(CH3)2), карбонилсульфида (COS).

Хорошо известно наличие органических галогенпроизводных – фторхлоруглеродов (ФХУ) – в атмосфере, несмотря на очевидную их зависимость от антропогенных явлений, в том числе вследствие биологических процессов. Следует отметить различную продолжительность существования разных газов в неизменном виде в атмосфере (табл. 4). Малая продолжительность пребывания газов в атмосфере может быть связана с процессами поглощения их растениями, твердыми веществами, водой.

Однако наиболее частой причиной этого явления служит протекание химических превращений. При этом наиболее реакционноспособной частицей в атмосфере является радикал гидроксила (ОН). Этот радикал образуется в результате фотохимически инициируемой последовательности реакций распада озона до атомарного кислорода и взаимодействия последнего с водой.

Таблица 4. Продолжительность пребывания следов газов в атмосфере в естественных условиях

2.1.2 АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА АТМОСФЕРУ

Доказано, что загрязнения в атмосфере распределяются крайне неравномерно: 86 % – над промышленными районами; 12,9 % – над городами;

1 % – над сельской местностью; 0,1 % – над океанами.

Уровень загрязнения атмосферы в 2000 г. оценивался как высокий в городах России, как очень высокий – в 30 городах. Среди крупных городов с наиболее загрязненной атмосферой можно выделить Москву, Екатеринбург, Кемерово, Красноярск, Краснодар, Омск, Ростов-на-Дону, Санкт-Петербург, Саратов и др.

Результатом мощного загрязнения атмосферы городов может быть ядовитый туман – смог (от англ. смоуки – дым, туман и фог – ядовитый).

При наиболее известном виде смога оксиды серы в присутствии влаги образуют ядовитые вещества, вызывающие резь в глазах, кашель, удушье. В 1952 г. в Лондоне за неделю от смога погибло 3200 человек. Подобное явление отмечалось и в других городах (Нью-Йорке, Чикаго, Токио, Милане, Мадриде и пр.).

Различают два вида смога. Первый – лондонский, наблюдается чаще всего. Он образуется при захвате каплями естественного тумана аэрозольных частиц (в том числе, соединений тяжелых металлов и непредельных углеводородов) и сорбировании на их поверхности сернистого газа. При этом образуется серная кислота. Второй называется лос-анжелесским или фотохимическим. Он связан с образованием азотной кислоты, озона, пероксиацетонитрила и взаимодействием с продуктами неполного сгорания автомобильного топлива. Этот вид смога возможен только при высокой интенсивности солнечного излучения и сильном загрязнении атмосферы, а также при наличии соответствующего рельефа местности, способствующего застою воздуха. Особенность фотохимического смога состоит в слабом уменьшении прозрачности воздуха.

Среди основных источников загрязнения атмосферы газовыми выбросами предприятия теплоэнергетики, особенно ТЭС, работающие на угле и выбрасывающие в целом сотни тонн SO2, СО2, СО, NOх и других загрязнителей в атмосферу. Значительные количества разнообразных загрязнений выбрасывают в атмосферу предприятия черной и цветной металлургии, нефтеперерабатывающей, химической и целлюлозно-бумажной отраслей промышленности. Химическая промышленность отличается большой номенклатурой газовых загрязнителей, выбрасываемых в атмосферу. Среди предприятий текстильной и легкой промышленности, не имеющих особо крупных выбросов газов, наиболее опасны выбросы производства изделий из кожи, производства кожи, вискозы, искусственных материалов.

Источниками загрязнения атмосферы твердыми частицами являются предприятия строительных материалов, теплоэнергетики, черной и цветной металлургии и др.

В последние годы возрастает количество газовых загрязнений, образующихся на полигонах и свалках хозяйственно-бытового мусора, установок сжигания бытового мусора.

Следует отметить особую роль загрязнений атмосферы выбросами автотранспорта (SO2, СО2, СО, NOх, углеводородами, сажей и др.). Роль автотранспорта, а значит и выбросов от него, во всем мире растет. Сейчас в мире ежегодно выпускается около 25 млн. машин. К 2000 г. численность мирового автопарка приблизилась к 500 млн. машин, из них 400 млн.

легковых. Нормально эксплуатируемый автомобиль в сутки выбрасывает 4 кг только углекислого газа. По количеству выбрасываемых загрязнений в атмосферу в крупных городах автотранспорт выходит на первое место. Доля загрязнений атмосферы от автотранспорта начинает превышать 70 %. Особо опасны выбросы автотранспорта, использующего этилированный бензин, сжигание которого приводит к выбросам в атмосферу соединений свинца.

Очень сильно раздражают слизистые оболочки оксиды азота и серы, они вызывают изменения в составе крови.

К наиболее опасным загрязнениям, наносящим большой вред человеку, относятся диоксины. Диоксины относятся к классу полихлорированных полициклических соединений (ПХПС). Под этим названием объединено более 200 веществ – дибензодиоксинов и дибензофуранов.

Диоксины являются типичными и очень стойкими ксенобиотиками, т. е.

веществами, неприемлемыми для живых организмов. Они способны легко проникать в ядра клеток живых организмов, вызывая, с одной стороны, ускоренное разрушение гормонов, витаминов, лекарств, а с другой – активацию канцерогенов, нейротоксических ядов и даже превращение многих безвредных соединений в чрезвычайно токсичные. Видимо, этим объясняется крайне высокая чувствительность пораженного диоксинами организма к стрессовым воздействиям физической, химической, биологической природы и к психическим факторам. При хроническом отравлении малыми дозами отмечается дискомфорт, снижение трудоспособности, авитаминоз, развитие иммунодефицита, нарушение нервной, психической деятельности и репродуктивных функций.

В природной среде диоксины, вследствие химической инертности, комплексообразованию, переносятся по цепям питания, выносятся в атмосферу, мигрируют в почве и накапливаются в воде. Это способствует поражению аэробных организмов во всех нишах экосистемы и может при определенных условиях полностью разрушить экоценоз.

С 1994 г. в РФ приняты ПДК на диоксины: 0,510–9 мг/м3 – для воздуха и 210–8 мг/дм3 – для воды.

Основными поставщиками диоксинов в окружающую среду являются мусоросжигательные заводы (наряду с химическими предприятиями), особенно для несортированного мусора, когда пластик, резина, линолеум, изоляционная лента, пакеты и пленки, пропитанные синтетическими смолами и клеями. древесные материалы, лакокрасочные материалы и т. п.

подаются в камеру сгорания вместе с влажными пищевыми отходами.

Мусоросжигательные заводы, работающие при температуре 800 – 900 оС (вместо 1400 оС), как и автомобили, работающие на этилированном бензине, в котором есть специальные хлорированные добавки, – один из основных источников диоксинов в городах. Отбеливание целлюлозы, текстиля хлором на бумажных и текстильных комбинатах и выбросы самых разных химических предприятий – еще один вид источников.

Особо опасное действие на живые организмы оказывает бенз(а)пирен – полициклический ароматический углеводород, который связывает гемоглобин крови, вызывая выраженное нарушение нервной системы и мочеполовой сферы. Его появление вероятно во всех случаях, где не полностью сгорает органическое топливо: от работы двигателей (при взлете современного самолета в атмосферу поступает от 2 до 10 мг бенз(а)пирена;

плохо отрегулированный двигатель внутреннего сгорания за час может дать и больше) до тления сигарет, при работе металлургических, литейных и коксохимических производств. Примерно так же действует на организм человека формальдегид (СН2О), но он на несколько порядков (по величине ПДК) слабее бенз(а)пирена.

Гидросферой называется водная оболочка Земли – совокупность океанов, морей, озер, прудов, вода водохранилищ, болот, рек и ручьев, а также подземных вод, включая поверхностные и глубинные.

На заре существования нашей планеты воды на ней не было, а примерно 4 млрд. лет назад объем гидросферы составлял лишь 20 млн. км3. Процесс формирования гидросферы (образование свободной воды) связывается с дегазацией мантии Земли в ходе общего уплотнения ее массы. При этом происходило высвобождение части химически связанной воды. Содержание воды в мантии оценивается в 20 млрд. км3, что в 15 раз больше всего объема гидросферы.

Объем гидросферы за счет дегазации мантии ежегодно увеличивается примерно на 1 км3.

В настоящее время объем гидросферы составляет примерно 1,5 млрд.

км, из которых 94 % приходится на Мировой океан, занимающий 72 % поверхности Земли (510 млн. км2 – общая поверхность Земли). Подземные воды, преимущественно представляющие собой глубинные рассолы, составляют 60 млн. км3, и лишь около 4 % из них – пресные подземные воды активного водообмена. Около 24 млн. км3 депонировано в твердой форме (полярные ледники). Поверхностные воды суши имеют небольшой объем около 360 тыс. км3, из которых 278-280 тыс. км3 находятся в озерах, а 80- тыс. км3 составляют почвенную влагу. Объем всех русловых вод практически ничтожен, составляет около 1,2 тыс. км3 или менее одной десятитысячной процента всего объема гидросферы. Атмосферная влага количественно оценивается в 14 тыс. км3.

Количество "биологической" вода, т. е. входящей в состав тканей и органов живых организмов, немного превышает 1 тыс. км3.

Воды водоемов и океана в целом пополняются из двух источников:

атмосферных осадков и речного стока. Источник ее расходования испарение. В активном балансе участвует около 525,1 тыс. км3 воды в год.

Круговорот поверхностной воды суши рассматривают в качестве малого круговорота, а обмен воды в океане – в качестве большого. Малый круговорот совершается очень быстро: семь лет, а прочих пресных вод – одним годом и менее. Большой круговорот океана в целом оценивается в 3000 лет, а подземных вод – в 5000 лет. Наиболее замедленна активность ледников из-за их медленного движения и таяния льда. Наиболее активны речные воды: в среднем они сменяются каждые 11 дней. На этом основании их считают возобновляемыми ресурсами.

Минерализация тем выше, чем медленнее водообмен, а вода, находящаяся в быстром водообмене, практически пресная.

На испарение воды в год требуется около 3 1020 ккал, т. е. примерно четверть всей поступающей от Солнца энергии.

Плотность воды в 800 раз, а вязкость – примерно в 55 раз больше, чем воздуха. Поэтому водная среда очень своеобразна и влияет на образ жизни и жизненные формы ее обитателей.

Подвижность, т. е. постоянное перемещение и перемешивание водных масс в пространстве, способствует поддержанию относительной гомогенности (однообразию) их физических и химических характеристик.

Температурная стратификация – это изменение температуры воды по глубине водного объекта. В летний период поверхностные воды нагреваются сильнее, чем глубинные. Поскольку более теплая вода имеет меньшую плотность и меньшую вязкость, то ее циркуляция происходит в поверхностном, нагретом слое и с более плотной и более вязкой холодной водой она не смешивается. Между теплым и холодным слоем образуется промежуточная зона с резким градиентом температуры, которую называют термоклином. Общий температурный режим, связанный с периодическими (годовыми, сезонными, суточными) изменениями температуры является важнейшим условием обитания живых организмов в воде.

К воде, используемой для промышленных или питьевых нужд, предъявляются достаточно высокие требования по качеству. Под качеством воды понимают совокупность физических, химических, биологических и бактериологических показателей, обусловливающих пригодность воды для использования в промышленном производстве, быту и т.д. Качество воды определяется совокупностью примесей минеральных и органических веществ, газов, коллоидов, взвешенных веществ и микроорганизмов.

Показатели качества воды подразделяют на органолептические, токсичные, бактериологические и химические. Основными показателями качества воды являются следующие:

1. Важным показателем как природных, так и сточных вод является их температура, поскольку она существенно влияет на скорость биохимических реакций и растворимость кислорода в воде. Температура природной воды зависит от местоположения источника и имеет определенный диапазон колебания, обусловленный климатическими условиями. Сброс сточных вод, имеющих повышенную температуру, непосредственно в водоем, классифицируется как тепловое загрязнение и может стать одной из причин эвтрофикации водоема.

Оптимальная температура воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения составляет 7 - 11°С.

2. Мутность природной воды обусловлена наличием в ней взвешенных веществ (частиц диаметром более 0,1 мкм). Существенное содержание взвешенных характерно водам поверхностных водоемов с достаточно высокой скоростью течения и зависит от характера питания водоема, свойств береговых и русловых пород, климатических и погодных условий. Мутность воды выражают как количество взвешенных (в единицах массы) отнесенное к объему воды, т.е. в мг/л.

Определяют мутность воды, как правило, гравиметрическим методом.

Для этого взвешенные вещества выделяют из пробы анализируемой воды фильтрованием, фильтр с осадком высушивают до постоянной массы при 1050 С и определяют массу осадка.

Для характеристики качества воды, содержащей незначительные количества взвешенных, используют показатель, противоположный мутности – прозрачность. Прозрачность воды определяют как высоту столба воды в сантиметрах, через который просматривается «крест» из линий толщиной 1 мм, нанесенных краской на белую фарфоровую пластинку. Мутность воды, предназначенной для питьевых нужд, не должна превышать 1,5 мг/л, а прозрачность должна быть не менее 30 см.

3. Цветность воды, т.е. окраска, обусловлена наличием в природной воде гумусовых веществ, белково- и углеводоподобных соединений, жиров, органических кислот, других соединений, входящих в состав животных и растительных организмов, населяющих природную воду.

Окраску воде могут придавать примеси соединений железа, цветения водоемов из-за массового развития водорослей, а также сброс окрашенных промышленных вод в водоемы. Цветность воды измеряется в градусах платино-кобальтовой шкалы. Определяют цветность воды фотоколориметрическим методом, сравнивая полученные данные со шкалой цветности, построенной по стандартным растворам смеси солей платины и кобальта. Цветность питьевой воды не должна превышать 200.

4. Привкусы и запахи природных вод относятся к органолептическим показателям. Они могут быть естественного или искусственного происхождения. Различают четыре основных вкуса воды: соленый, горький, сладкий и кислый. Соленый вкус определяется содержанием хлорида натрия, горький содержанием сульфата магния, кислый избытком углекислоты (СО2). При наличии в воде соединений железа вода приобретает железистый привкус; щелочной привкус придают воде поташ, сода; а вяжущий наличие в воде гипса или солей марганца. К запахам естественного происхождения можно отнести: землистый, рыбный, сероводородный, болотный, глинистый, тинистый и т.д. К запахам искусственного происхождения хлорный, аптечный, фенольный, запах нефтепродуктов и т.д. Запахи и привкусы определяются экспертами по органолептическим показателям по пятибалльной шкале. Заметный запах оценивается в 3 балла.

5. Жесткость воды определяется содержанием в воде солей кальция и магния и измеряется в мг-экв/л. Различают карбонатную, некарбонатную и общую жесткость воды. Для питьевых целей рекомендуют воду, имеющую жесткость в пределах 2-7 мг-экв/л, так как для организма человека наличие солей кальция и магния в воде полезно. Для многих производств жесткость воды выше 1 мг-экв/л вредна, например, для текстильных производств, производства бумаги, прачечных и т.д.

6. Щелочность воды определяется суммой содержащихся в воде ионов гидроксила (ОН-) и анионов угольной, органических. кислот. Активная реакция среды или величина рН для кислых вод составляет 1 - 3, слабокислых - 4 - 6, нейтральных - 7, слабощелочных - 8 - 10, щелочных более - 11. рН природных вод обычно находится в пределах 6.5-8.5.

Требования по содержанию индивидуальных веществ или ионов устанавливается для разных видов воды в зависимости от ее назначения. Для загрязняющих воду веществ установлены предельно допустимые концентрации (ПДК).

В поверхностных природных водах могут содержаться гидробионты;

водоросли, бактерии и вирусы. Бактериологический контроль качества воды, учитывая сложность и длительность полного анализа, сводится к нахождению общего числа бактерий в 1 мл воды, растущих при 37°С и кишечной палочки – бактерии Escherichia Coli. Наличие последних имеет индикаторные функции, т.е. свидетельствует о загрязнении воды выделениями людей и животных.

Для характеристики загрязненности воды неорганическими и органическими соединениями применяют обобщенные показатели ХПК и БПК, в определенной мере показывающие меру угрозы эвтрофикации водоемов. ХПК (химическое потребление кислорода, выражаемое в мг О2/л) характеризует количество кислорода в мг воды, необходимое для окисления органических примесей, содержащихся в 1 литре вода, до высших оксидов (СО2, Н2О) или до соединений с высшей степенью окисления (нитратов, сульфатов, фосфатов и др.). БПК (биологическое потребление кислорода выражаемое в мг О2/л), характеризует количество кислорода в мг, израсходованное за определенный промежуток времени (за 5, 10, 20 суток или до полного окисления) на окисление органических соединений в исследуемой воде микроорганизмами. БПК поверхностных вод, не загрязненных антропогенными выбросами, обычно находится на уровне 10 мг О2/л.

Соленость природных вод варьируется в широких пределах. В морской воде содержание солей достигает 35 г/л (или 35 ‰, произносится « промилле»), причем 55 % приходится на хлорид-ион, более 30 % - на натриевый ион. К пресным относятся воды, в которых содержание солей не превышает 90 мг/л. В поверхностных водах растворены газы, причем количество растворенного в морской воде СО2 примерно в 100 раз больше массы его в атмосфере, а кислорода - наоборот. В воде растворены метан, водород, аргон и др. Вода содержит в небольших количествах микроэлементы, к которым относят медь, марганец, цинк, фтор и др.

К биогенным относят соединения азота и фосфора, концентрация которых колеблется от следов до 10 мг/л. К биогенным элементам относят также соединения кремния и железа. В природных водах содержатся растворенные органические вещества, по существу, органические формы биогенных элементов. Состав органических соединений весьма сложен и зависит от месторасположения водного бассейна.

Производственные сточные воды представляют собой сложные многокомпонентные гетерогенные системы, содержащие растворенные и нерастворимые, неорганические и органические соединения, включая и токсичные, а также микробиологические примеси.

Гидросфера является естественным аккумулятором загрязняющих веществ, поступающих не только в водоемы, но и в атмосферу или литосферу, что обусловлено наличием глобального круговорота воды на планете и свойствами воды. Вода способна растворять минеральные вещества, различные газы, в той или иной мере органические вещества. В воду попадают и всевозможные твердые вещества, особенно в тонкодисперсном состоянии. Так как вода является естественной средой обитания многих живых организмов (гидробионтов), то она находится в состоянии динамического равновесия обмена биогенными веществами.

Загрязнение воды чуждыми ей элементами оказывает вредное воздействие на жизнедеятельность организмов и на функционирование водных экосистем.

Водные экосистемы загрязняются различными путями, и к основным источникам загрязнений следует отнести:

а) атмосферные (ливневые) стоки, которые несут с собой в водоемы не только вещества, вымываемые из воздуха, но и загрязнения, переходящие в воду при стекании воды по поверхности земли. Особенно загрязнены подобные воды в промышленных районах, городах;

б) промышленные сточные воды, образующиеся в самых различных отраслях промышленности. Их количество и состав зависят от особенностей производства, технологий, наличия на предприятиях очистных сооружений и их совершенства;

в) хозяйственно-бытовые сточные воды канализованных населенных пунктов, содержащие фекалии, поверхностно-активные вещества, микроорганизмы, в том числе патогенные.

В настоящее время ежегодно население планеты потребляет воду в следующих количествах, км3: для ирригации 7 000, для промышленных целей 1 700, для бытовых нужд 600, для других целей 400, для разбавления сточных вод 9 000, т.е. всего 18 700.

В современных условиях не следует забывать о сточных водах сельскохозяйственного производства. Это и стоки крупных животноводческих ферм, и воды с полей, уносящие вымываемые минеральные удобрения в поверхностные водоемы. Эти воды могут содержать пестициды и продукты их метаболизма.

Одна из крупных проблем это загрязнение водоемов нефтью и нефтепродуктами, поступающими в водоемы из разных источников от аварий нефтеперевозчиков до элементарного невежества мойки машин у водоемов. Загрязнение нефтепродуктами водоемов резко сокращает способность их к самоочищению за счет образования на поверхности газонепроницаемой пленки. Достаточно сказать, что 1 т нефти покрывает тонкой пленкой поверхность водоема площадью 12 км2.

Еще одна из проблем термальное загрязнение водоемов теплыми отработанными водами тепловых и атомных станций. Количество таких вод весьма значительно. Химически эти воды, в основном, чистые, но биологически они мертвы, а геохимически малоактивны, так как содержат мало кислорода и углекислоты.

Неправильное орошение земель при коэффициенте полезного использования воды 0.4 - 0.6 приводит к засолению почв, поднятию уровня грунтовых вод, заболачиванию земель, ухудшению качества воды в реках и озерах. Во всем мире возрастает потребление подземных вод. До 10 % потребностей в питьевой воде удовлетворяется за счет использования ресурсов подземных вод. Это приводит к опусканию почв.

В промышленности вода используется в качестве химического реагента или промышленного сырья, среды, в которой протекают те или иные процессы, средства поддержания определенных технологических параметров, для промывки оборудования, производственных площадей, в качестве теплоносителя, для транспортирования сырья, готовой продукции, для других хозяйственных и бытовых нужд. Наиболее водопотребляемыми являются отрасли промышленности: целлюлозно-бумажная, металлургия, химическая, нефтехимическая и др. Например, для производства 1 т картона расходуется 350 м3 воды; 1т стали - до 35 м3, 1 т шерстяных тканей - около 300 м3; на стирку 1 т белья расходуется более 70 м3 воды. В городах с населением свыше 3 млн. человек суточный расход воды достигает 3 млн. м3, а годовой – 1 км3.

Со сточными водами промышленных и сельскохозяйственных предприятий в водоемы поступают биогенные элементы, в том числе азот и фосфор. При избытке биогенных элементов, а также при наличии термальных сбросов ускоряется размножение и развитие фитопланктона, сине-зеленых и других водорослей, высших водных растений. Масса органического вещества возрастает. Для роста организмов требуется кислород, растворенный в воде. В указанных условиях развитие происходит при дефиците кислорода. Вскоре вода становится непригодной для жизни, и в ней начинают протекать анаэробные процессы, т.е. процессы вторичного загрязнения воды. Рассмотренный процесс называют эвтрофикацией воды повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления в воде биогенных элементов под действием антропогенных или естественных факторов.

Эвтрофикация водоема может сопровождаться вспышками "цветения" водорослей, приводящими к дефициту кислорода в воде. При указанных условиях деградация экосистемы водоема носит прогрессирующий характер и может произойти всего за несколько десятков лет. Этому способствуют уменьшение водообмена, наличие застойных зон, строительство плотин, водохранилищ без надлежащей очистки ложа и др.

В природных условиях протекает множество взаимопересекающихся метаболических циклов.

По мере обогащения водной среды биогенными элементами за счет внешних источников (сточных вод) скорость метаболических процессов возрастает. Суммарная биомасса организмов увеличивается, процесс эвтрофикации водоемов ускоряется. В замкнутых системах происходит накопление донных отложений, которые служат вторичными источниками биогенных элементов. Это может привести к гибели водоема, в то время как срок "жизни" водоема в естественных условиях измеряется тысячами лет.

Если сточные воды содержат токсичные вещества, например, тяжелые металлы, то они могут накапливаться или в живых организмах, или в донных отложениях. При переходе в живые организмы они передаются по трофической цепи, вплоть до человека, что и наблюдается в последние десятилетия. В рыбной продукции различных водоемов обнаруживается повышенное содержание тяжелых металлов. Обогащение тяжелыми металлами донных отложений имеет аналогичные последствия. То же самое может происходить и с радионуклидами, загрязняющими отдельные источники сточных вод.

В процессе эвтрофикации водоемов в застойных зонах ухудшается санитарно-эпидемическая ситуация размножаются патогенные микроорганизмы и наблюдаются вспышки заболеваний гидробионтов, птиц, животных и человека. Ежегодно в мире около 500 млн. человек страдает от инфекций, распространяемых через воду.

Значение донных отложений для водных систем весьма значительно и противоречиво. С одной стороны аккумулируя тяжелые металлы, другие неорганические и органические примеси, донные отложения способствуют самоочищению водных экосистем. С другой стороны, донные отложения при определенных условиях могут превратиться во вторичный источник загрязнения водоема, влияют на протекающие в водной среде процессы. В донных отложениях могут происходить различные ферментативные превращения одних веществ в другие, в том числе более токсичные. Оседая на жабрах или попадая в кишечный тракт, микроколлоидные частицы токсичных веществ приводят к окислению органических тканей рыб, разрушению жабр и в итоге к гибели.

Во внутреннем строении Земли выделяют три основных слоя: земную кору, мантию и ядро. Земная кора располагается в среднем до глубины 35 км (до 5 - 15 км под океанами и до 35 - 70 км под континентами). В состав земной коры входят все известные химические элементы. В земной коре преобладают: О (49,1 %), Si (26 %), Al (7,4 %), Fe (4,2 %), Са (3,3 %), Na (2, %), К (2,4 %), Мg (2,4 %).

Мантия располагается между земной корой и ядром и распространяется до глубины 2 900 км. Здесь преобладают О, Si, Fe, Mg, Ni. Внутри мантии с глубины 50 - 100 км под океанами и 100 - 250 км под континентами начинается слой вещества, близкого к плавлению, так называемая астеносфера. Земная кора вместе с верхним твердым слоем мантии над астеносферой называется литосферой.

Литосфера – внешняя твердая оболочка земного шара. Это относительно хрупкая оболочка. Она разбита глубинными разломами на крупные блоки – литосферные плиты, которые медленно перемещаются по астеносфере в горизонтальном направлении.

Земная кора сложена из горных пород, которые состоят из минералов.

Минерал – природное тело однородного химического состава, обладающее во всей своей массе одинаковыми физическими свойствами. Горные породы – геологические образования, состоящие из минералов и обладающие относительно постоянными химическим составом и свойствами.

В зависимости от размера частиц, слагающих породу, выделяют грубообломочные, среднеобломочные (песчаные), пылеватые и глинистые породы. Химические осадочные породы образуются за счет выпадения осадка при перенасыщении растворов, к ним относятся известняк, доломит, каменная соль и т. д. В результате жизнедеятельности организмов образуются органические (биохимические) осадочные породы: известняки, мел, торф, нефть, уголь.

Почва – биокосная система, основанная на динамическом взаимодействии между минеральными компонентами, детритом, детритофагами и почвенными организмами.

Почва формируется в результате взаимодействия, так называемых факторов почвообразования: климата, организмов, почвообразующих пород, рельефа местности, возраста страны (времени), хозяйственной деятельности человека. Так как эти факторы почвообразования и их сочетания неодинаковы в различных частях Земли, то и мир почв также отличается широким разнообразием. Каждая почва отличается особым строением и отражает местные природные условия.

Верхняя граница почвы – поверхность раздела между почвой и атмосферой, нижняя граница – глубина проникновения почвообразующих процессов. Мощность (толщина) современных зональных почв около 80 - см, с колебаниями от нескольких сантиметров до 2,5 - 3,0 м.

Почва является неотъемлемым компонентом наземных биогеоценозов.

Она осуществляет сопряжение (взаимодействие) большого геологического и малого биологического круговоротов веществ. Почва – уникальное по сложности вещественного состава природное образование. Вещество почвы представлено четырьмя физическими фазами: твердой (минеральные и органические частицы), жидкой (почвенный раствор), газообразной (почвенный воздух) и живой (организмы). Для почв характерна сложная пространственная организация и дифференциация признаков, свойств и процессов.

Важнейшее свойство почв – плодородие – способность почв удовлетворять потребность растений в элементах питания и воде, обеспечивать их корневые системы достаточным количеством тепла и воздуха для нормальной деятельности и создания урожая.

В почве обитает великое множество различных живых организмов, формирующих сложную пищевую детритную сеть: бактерии, микрогрибы, водоросли, простейшие, моллюски, членистоногие и их личинки, дождевые черви и многие другие. Среди почвенных есть болезнетворные организмы, вызывающие заболевания сельскохозяйственных животных и человека.

Химический состав почвы оказывает влияние на состояние здоровья человека через воду, растения и животных. Недостаток или избыток определенных химических элементов в почве бывает столь велик, что приводит к нарушению обмена веществ, вызывает или способствует развитию серьезных заболеваний. Так, широко распространенное заболевание эндемический (местный) зоб связано с недостатком йода в почве. Недостаток фтора приводит к кариесу зубов. При высоком содержании фтора нередко возникают заболевания костной системы (флюороз).

В почве происходит закономерный круговорот химических элементов в системе «почва – растения – животные – микроорганизмы – почва». Этот круговорот В. Р. Вильямс назвал малым, или биологическим. Благодаря малому круговороту веществ в почве постоянно поддерживается плодородие.

В искусственных агроценозах такой круговорот нарушен, так как человек изымает значительную часть сельскохозяйственной продукции, используя ее для своих нужд. Чтобы повысить плодородие почвы в искусственных агроценозах, человек вносит органические и минеральные удобрения, применяет необходимые севообороты.

Твердые отходы подразделяют на промышленные (ТПрО) и бытовые (ТБО).

Промышленные отходы (или отходы производства) – это остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, образовавшиеся при производстве продукции или выполнении работ и утратившие полностью или частично потребительские свойства. С некоторой долей условности к ТПрО можно отнести и отходы потребления – изделия и машины, утратившие свои потребительские свойства в результате физического или морального износа.

Бытовые (коммунальные) отходы – твердые вещества, не утилизируемые в быту, образующиеся в результате амортизации предметов быта и самой жизни людей. В последнее время к ТБО относят и твердую составляющую коммунально-бытовых сточных вод – их осадок.

В крупных городах России отходы составляют: промышленные – 45 %;

образующиеся на очистных сооружениях систем водоснабжения и водоотведения – 31 %; твердые бытовые – около 17 %; осадки ливневых вод– около 4,8 %; отходы от зеленого хозяйства – 2,17 %; радиоактивные отходы – 0,03 %.

За рубежом в последнее время из двух больших групп – ТПрО и ТБО – выделяют несколько специфических видов. Так, ТБО можно подразделить на домашние, коммерческие, учрежденческие и другие городские отходы (трупы мертвых животных, отходы уборки улиц, осадки сточных вод). В США в последнее время выделяют отдельную группу ТБО – упаковочные материалы. И это не случайно. Для упаковки товаров в последнем десятилетии XX в. США использовали около 50 % бумаги, 75 % стекла, 40 % алюминия, 30 % пластика. Кроме чисто промышленных отходов выделяют медицинские, радиоактивные, сельскохозяйственные, горные (металлургические) и др.

Следует обратить внимание на рост содержания пластиков в ТБО до 8 - %. Сама же масса ТБО в РФ в последние годы имеет тенденцию к увеличению (до 0,75 - 0,9 % ежегодно), причем почти половина этой массы приходится на города с населением 1 млн. жителей и более.

Из огромных объемов добываемого в мире минерального сырья, исчисляемого десятками миллиардов тонн, непосредственно в производстве используется лишь 5 - 10%. Остальное добываемое количество сырья представляет собой отходы горнодобывающих и горноперерабатывающих производств. Эти отходы включают некондиционные полезные ископаемые, вскрышные и вмещающие породы, отходы обогатительного и металлургического производств, отходы энергетического хозяйства и составляют большую часть (70 – 80 %) всей массы твердых, жидких и газопылевых отходов всех основных производств.

Накопление огромных объемов полиминеральных образований в отвалах, хвостохранилищах, шламохранилищах и на других объектах размещения отходов нарушает природные ландшафты, загрязняет воздушный и водный бассейны, приводит к изъятию из хозяйственного оборота земельных площадей и непроизводительным затратам на хранение отходов.

Все промышленные отходы различаются по классам токсичности и степени опасности. Класс токсичности определяют на основе ПДКп химических веществ.

Отнесение отходов к классу опасности осуществляется экспериментальным или расчетным методами. Экспериментальный метод при невозможности точного определения качественного и количественного состава отходов любого класса опасности. Он основан на биотестировании водной вытяжки отходов (значениях БПК20 – биохимической потребности в кислороде и ХПК – химической потребности в кислороде).

Расчетный метод сводится к определению суммарного индекса токсичности. Индекс токсичности каждого компонента твердых отходов рассчитывают по формуле где ПДКпi – предельно допустимая концентрация токсичного вещества, содержащегося в отходе; S – коэффициент, отражающий растворимость его в воде (величина безразмерная); Cп – содержание данного компонента в общей массе отходов, т/т.

Суммарный индекс токсичности рассчитывается по формуле где n – выбранное (1 – 3) число компонентов, имеющих минимальные значения Кi.

С помощью суммарного индекса токсичности определяют класс токсичности и соответствующую ему степень опасности отхода (таблица 5).

В соответствии с правилами охраны окружающей среды от отходов производства и потребления, использование, обезвреживание и захоронение отходов I, II, III классов, а при необходимости и IV класса токсичности осуществляют на специализированных предприятиях или на полигонах по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов, обустроенных в соответствии со СНиП. При этом следует отметить, что границы территорий, отведенных для размещения опасных отходов, должны находиться на расстоянии не менее 3 км от границ городов и населенных пунктов, лесопарковых, курортных, лечебно–оздоровительных, рекреационных зон и зон санитарной охраны питьевого водоснабжения.

несанкционированных свалках или полигонах. Санкционированные свалки – это территории, предназначенные для размещения ТПрО и ТБО, разрешенные местными органами власти, но не обустроенные в соответствии с нормативными требованиями и эксплуатируемые с отклонениями от требований санитарно-эпидемиологического надзора. Такие свалки являются временными и разрешаются до окончания строительства полигонов или заводов для утилизации отходов. К свалкам относят и временные шламохранилища, отвалы для ТПрО.

Полигон – природоохранное сооружение для централизованного сбора, обезвреживания отходов, обеспечивающее защиту от загрязнения атмосферы, почв, поверхностных и грунтовых вод, препятствующее распространению болезнетворных микроорганизмов. Полигоны для токсичных ТПрО (I и II класса опасности) имеют такие же санитарные ограничения и такой же размер СЗЗ, как и свалки.

Таблица 5 Классификация опасности отходов производства на основе ПДКп химических веществ, содержащихся в них Примечание. V класс – это практически не опасные отходы, не нарушающие экологическую систему (обычно отходы горно-добывающей промышленности).

Основные особенности полигонов: уплотнение отходов, позволяющее увеличить нагрузку на единицу площади; послойное укрытие отходов; меры по предотвращению проникновения сточных вод полигона в почву и подземные воды; сбор биогаза (при необходимости). Работы на полигонах полностью механизированы, а после их закрытия производится рекультивация участка.

Промышленных отходы, относящиеся к наиболее опасной категории, обезвреживают и захоранивают на специальных полигонах. Специальные полигоны бывают двух видов: специализированные и комплексные.

Специализированные полигоны предназначены для обезвреживания одного вида отходов только захоронением или химическим способом. Комплексные полигоны предназначены для централизованной переработки и обезвреживания твердых, пастообразных и жидких отходов с использованием нескольких способов.

Промышленные способы утилизации отходов можно разделить на термические способы и мусоропереработку.

Термические методы утилизации твердых отходов, в свою очередь, условно можно разделить на две группы: термодеструкция (пиролиз) отходов с получением твердых, жидких и газообразных продуктов и огневой метод (сжигание), приводящий к образованию газообразных продуктов и золы.

К недостаткам метода сжигания относятся большой остаток шлака, высокий уровень образования диоксинов и кислых газов, которые выделяются на стадии газификации и ведут к загрязнению атмосферы. Из-за большой доли пищевых отходов (выше 40 %) температура в топке обычно не превышает 550 °С.

Пиролиз – термохимический процесс, в котором происходит разложение органической части отходов и получение полезных продуктов под действием высокой температуры в специальных реакторах. Существуют следующие разновидности метода: окислительный пиролиз с последующим сжиганием пиролизных газов и сухой пиролиз.

Окислительный пиролиз – это процесс термического разложения отходов при их частичном сжигании или непосредственном контакте с продуктами сгорания топлива. В процессе окислительного пиролиза образуется твердый углеродистый остаток (кокс), который можно использовать в качестве твердого топлива или в других целях. Обычно окислительный пиролиз проводят при 600 – 900 °С Сухой пиролиз – это метод термического разложения отходов, твердого или жидкого топлива, осуществляемый при 1200оС без доступа кислорода. В результате сухого пиролиза отходов образуются пиролизный газ с высокой теплотой сгорания, жидкие продукты (деготь, нерастворимые масла, органические соединения) и твердый углеродистый остаток (пирокарбон), который можно использовать как топливо. Преимущество высокотемпературного сухого пиролиза состоит в получении горючего газа, который можно использовать как топливо.

Большое количество пищевых отходов в составе ТБО препятствует их качественному сжиганию и затрудняет захоронение на полигонах. В странах, где раздельный сбор ТБО не осуществляется (в России; на большей части территории США и др.), это делается на мусороперерабатывающих заводах (МПЗ). Многие МПЗ принимают для переработки нетоксичные, умеренно опасные и слаботоксичные промышленные отходы. Основной процесс на МПЗ – компостирование органических отходов, прежде всего пищевых.

Компостирование – биохимический процесс преобразования органических твердых отходов в стабильный, подобный гумусу, продукт.

Процесс компостирования начинается с сортировки. Из поступающих ТБО и ТПрО отсортировываются металлы, стекло, песок, камни и другие некомпостируемые материалы.

Различают компостирование аэробное и анаэробное. Аэробное (более быстрое) протекает при температурах 45 - 65 °С; в штабелях, на открытом воздухе и в механических устройствах – биотермических барабанах (биобарабанах).

Глава 3. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ЗДОРОВЬЕ

ЧЕЛОВЕКА

3.1 СОВРЕМЕННЫЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КРИЗИС

Воздействие человека на природу можно классифицировать различным образом. Например, разделить на разрушительное, стабилизирующее и конструктивное; прямое и косвенное; преднамеренное и непреднамеренное;

длительное и кратковременное; статическое и динамическое; площадное и точечное; глубинное и приповерхностное; глобальное, региональное и локальное; механическое, физическое, химическое и биологическое и т.д.

Разрушительное (деструктивное) воздействие — человеческая деятельность, ведущая к утрате природной средой своих человеку качеств.

Например, сведение тропических лесов под агроценозы, в результате чего нарушается биогеохимический круговорот веществ, и почва за два-три года теряет свое плодородие.

Стабилизирующее воздействие — человеческая деятельность, направленная на замедление деструкции (разрушения) природной среды в результате, как хозяйственной деятельности человека, так и природных процессов. Например, почвозащитные мероприятия, направленные на уменьшение эрозии почв.

Конструктивное воздействие — человеческая деятельность, направленная на восстановление природном среды, нарушенной в результате хозяйственной деятельности человека или природных процессов. Например, рекультивация ландшафтов, восстановление численности редких видов животных и растений и т.д.

Прямое (непосредственное) воздействие — изменение природы в результате прямого воздействия хозяйственной деятельности человека на природные объекты и явления.

Косвенное (опосредованное) воздействие — изменение природы в результате цепных реакций или вторичных явлений, связанных с хозяйственной деятельностью человека.

Непреднамеренное воздействие является неосознанным, когда человек не предполагает последствий своей деятельности.

Преднамеренное воздействие является осознанным, когда человек ожидает определенные результаты своей деятельности.

Расширяющееся использование природных ресурсов вследствие роста населения и развития научно-технического прогресса приводит к их истощению и увеличению загрязнения природной среды отходами производства и отбросами потребления. Ухудшение природной среды происходит по двум причинам: 1) сокращение природных ресурсов; 2) загрязнение природной среды.

Несбалансированные взаимоотношения общества и природы, то есть нерациональное природопользование, часто приводят к экологическому кризису и даже экологической катастрофе.

Экологический кризис (чрезвычайная экологическая ситуация) — экологическое неблагополучие, характеризующееся устойчивыми отрицательными изменениями окружающей среды и представляющее угрозу для здоровья людей. Это напряженное состояние взаимоотношений между человечеством и природой, обусловленное несоответствием размеров производственно-хозяйственной деятельности человека ресурсноэкологическим возможностям биосферы.

Экологический кризис характеризуется не столько усилением воздействия человека на природу, сколько резким увеличением влияния измененной людьми природы на общественное развитие.

Экологическая катастрофа (экологическое бедствие) — экологическое неблагополучие, характеризующееся глубокими необратимыми изменениями окружающей среды и существенным ухудшением здоровья населения. Это природная аномалия, нередко возникающая на основе прямого или косвенного воздействия человеческой деятельности на природные процессы и ведущая к остро неблагоприятным экономическим последствиям или массовой гибели населения определенного региона.

Принципиальным является следующее различие между экологическим кризисом и экологической катастрофой: кризис — обратимое явление, в котором человек выступает активно действующей стороной, катастрофа — необратимое явление, здесь человек уже лишь пассивная, страдающая сторона.

Экологический кризис и экологическая катастрофа в зависимости от масштаба могут быть локальными, региональными и глобальными Важнейшие глобальные экологические проблемы, стоящие перед современным человеком, следующие: перенаселение, урбанизация, загрязнение окружающей среды, парниковый эффект, истощение «озонового слоя», смог, кислотные дожди, деградация почв, обезлесевание, опустынивание, проблемы отходов, сокращение генофонда биосферы и др.

Перенаселение. Достижения в медицине, повышение комфортности деятельности и быта, интенсификация и рост продуктивности сельского хозяйства во многом способствовали увеличению продолжительности жизни человека и как следствие росту населения Земли (таблица 6).

Одновременно с ростом продолжительности жизни в ряде регионов мира (в странах Африки, Азии и Южной Америки) рождаемость продолжала оставаться на высоком уровне и составляла в некоторых из них до 40 человек на 1000 человек в год и более. Более половины населения Земли проживает в Азии — около 58%, в Европе — свыше 17%, в Африке — свыше 10%, в Северной Америке — около 9%, Южной Америке — около 6%, в Австралии и Океании — 0,5%. Многочисленные попытки сократить рождаемость не удается, в настоящее время наблюдается демографический взрыв.

Таблица 6 – Народонаселение Земли в XIX- XX в.в.

населения, млрд.

Существуют несколько прогнозов дальнейшего изменения численности населения Земли. По I варианту (неустойчивое развитие) к концу XXI в.

возможен рост численности до 28—30 млрд. человек. В этих условиях Земля уже не сможет (при современном состоянии технологий) обеспечивать население достаточным питанием и предметами первой необходимости. С определенного периода начнутся голод, массовые заболевания, деградация среды обитания и как следствие резкое уменьшение численности населения и разрушение человеческого сообщества. Уже в настоящее время в экологически неблагополучных регионах наблюдается связь между ухудшением со стояния среды обитания и сокращением продолжительности жизни, ростом детской смертности.

По II варианту (устойчивое развитие) численность населения необходимо стабилизировать на уровне 10 млрд. человек, что при существующем уровне развития технологий жизнеобеспечения будет соответствовать удовлетворению жизненных потребностей человека и нормальному развитию общества.