5. Загрязнение биосферы
5.1. Понятия «загрязнение» и «загрязнитель» в экологии
В экологии под загрязнением понимается всё то, что выводит экосистемы из состояния равновесия.
Загрязнение это привнесение в среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных для нее вредных физических, химических, биологических или информационных агентов, нередко приводящее к негативным последствиям. Загрязнение может быть вызвано любым агентом, в том числе самым «чистым», например, лишняя по отношению к природной норме вода в экосистеме суши это загрязнитель. Надоедливая реклама – это информационный загрязнитель.
Загрязнитель это любой природный или антропогенный физический, химический, биологический или информационный агент, попадающий в окружающую среду или возникающий в ней в количествах, превышающих рамки обычного наличия предельных естественных колебаний или среднего природного фона.
5.2. Классификация загрязнений
Загрязнение может возникать в результате естественных причин это природное загрязнение. Например, загрязнение биосферы в результате извержения вулканов, землетрясений, катастрофических наполнений, лесных пожаров. Загрязнение, возникающее под влиянием деятельности человека, это антропогенное загрязнение. И природные, и антропогенные загрязнители могут быть разного вида.
1. В зависимости от происхождения загрязнителей различают следующие виды загрязнений:
физическое загрязнение это загрязнение, связанное с изменением физических параметров среды: тепловых, световых, электромагнитных, радиационных и т.п. Например, хотя влияние электромагнитного загрязнения на человека ещё до конца не изучено, есть основания полагать, что близость высоковольтной линии электропередачи способствует развитию рака у человека;
химическое загрязнение это изменение естественных химических свойств среды в результате превышения среднемноголетних концентраций каких-либо веществ или в результате проникновения в неё новых химических веществ.Химические загрязнения являются наиболее распространёнными и часто наиболее опасными для живых организмов. В настоящее время общая мощность источников химического антропогенного загрязнения во многих случаях превосходит мощность естественных. Например, природные источники выбрасывают ежегодно 30 млн. т оксидов серы, а антропогенные более 150 млн. т. В результате деятельности человека в биосферу попадает почти в 10 раз больше свинца, чем в процессе природных загрязнений;
биологическое загрязнение это загрязнение вследствие привнесения в среду и размножения в ней нежелательных для человека организмов. Биологическое загрязнение подразделяется на: а) биогенное, связанное с распространением нежелательных для людей биогенных веществ, напр., выделений, мёртвых тел, на территориях или акваториях, где они ранее не наблюдались; б) микробное, проявляющееся в появлении в среде необычайно большого количества микроорганизмов в результате их массового размножения, что наносит вред человеку и другим организмам. Например, вспышки инфекционных заболеваний это результат биологического загрязнения среды;
информационное загрязнение это любая информация, способная выводить экосистемы из состояния равновесия, наносящая ущерб природе и рациональному природопользованию.
2. В зависимости от способа попадания загрязнителя в среду, различают:
первичное загрязнение, возникшее вследствие попадания в среду загрязнителя извне;
вторичное загрязнение, образующееся в ходе физико-химического взаимодействия первичных загрязнителей. Например, фотохимический смог (англ. smog дым, fog туман) это смесь продуктов вторичного загрязнения воздуха, возникающих в результате разложения загрязняющих веществ солнечными лучами.
3. По масштабам распространения загрязнений, различают:
глобальное загрязнение, обнаруживаемое в любой точке биосферы;
региональное загрязнение происходит в рамках какого-либо региона;
локальное загрязнение имеет место вокруг промышленного предприятия, города, внутриквартала.
4. По степени устойчивости загрязнителей в окружающей среде, различают:
стойкое загрязнение, вызываемое химически стабильным загрязнителем, не входящим в естественный круговорот веществ и поэтому очень медленно разлагающимся. Например, ксенобиотики (греч. xenos чужой, bios жизнь), являющимися чужеродными для организмов соединениями, синтезированными человеком, такие как полиэтилен, синтетические моющие средства, многие пестициды и пр.;
нестойкое загрязнение, вызываемое загрязнителями, входящими в естественные круговороты веществ, благодаря чему они быстро исчезают, подвергаясь биологическому разрушению.
По объектам загрязнения, т.е. по средам, в которых они распространяются, выделяют загрязнение космоса, атмосферы, гидросферы, почвы, рек, морей, океанов и т.д.
По степени воздействия на организм человека загрязнители делят на четыре класса опасности:
I класс опасности (чрезвычайно опасные) это такие вещества как бенз-(а)-пирен, ртуть и её соединения, фтороводород, соединения свинца, мышьяка, кадмия, селена, цинка, аэрозольные оксиды марганца, хрома, кремния и другие вещества;
II класс опасности (высокоопасные) это хлор, хлороводорода, серо-водород, оксид азота (NО2), формальдегид, соединения хрома, никеля, кобальта, меди, сурьмы, молибдена;
III класс опасности (умеренно опасные) это углеводород (СхКу), метанол (CH3OH), оксид серы (SО2), соединения стронция, бария, ванадия, вольфрама;
IV класс опасности (малоопасные) это аммиак, оксид углерода (СО), пыль цемента, песка, керамзита, нефтепродукты (эмульсии, смазки и т.п.).
Г. В. Стадницкий и А. И. Родионов рассматривают процесс загрязнения в широком смысле, с позиций системного подхода, и классифицируют его следующим образом:
ингредиентное загрязнение это воздействие на среду совокупности веществ, количественно или качественно чуждых естественным экосистемам (бытовые стоки, ядохимикаты, удобрения и т.д.);
параметрическое загрязнение это изменение качественных параметров окружающей среды под воздействием загрязнителей (шумовое, тепловое, электромагнитное, радиационное);
биоценотическое загрязнение это воздействие загрязнителей на состав и структуру популяций (перепромысел, интродукция и акклиматизация видов и т.д.);
стациально-деструкционное (лат. stalio местопребывание) загрязнение это изменение ландшафтов и экосистем в процессе природопользования, связанное с оптимизацией природы в интересах человека (вырубкам лесов, эрозия почв и процесс урбанизации).
5.3. Основные загрязненители и источники загрязнения биосферы
Все основные компоненты биосферы: атмосфера, гидросфера и литосфера (почва) в настоящее время загрязнены вследствие деятельности человека. А поскольку жизнь на Земле существует в строго определённом интервале значений уровней радиации, гравитации, магнитного и шумового фона, температуры, химического состава среды и т.д., а антропогенная деятельность влияет на эти параметры биосферы, то, очевидно, что человеком подрываются основы самой возможности жизни на нашей планете.
Загрязнение атмосферы это изменение её состава при поступлении примесей природного или антропогенного происхождения.
К природным источникам загрязнения атмосферы относятся извержения вулканов, пыльные бури, лесные пожары, пыль космического происхождения, частицы морской соли, продукты растительного, животного и микробиологического происхождения.
Антропогенные источники загрязнения атмосферы очень многочисленны. Сжигание горючих ископаемых в энергетических установках, на предприятиях черной и цветной металлургии, коксохимии, нефтепереработки, в двигателях внутреннего сгорания, которое сопровождается выбросом в атмосферу оксидов углерода (примерно 5 млрд. т СО2 ежегодно) и аэрозолей, содержащих оксиды железа, свинца, силикаты, сажу и другие примеси.
Работа тепловых электростанций на высокосерных углях, предприятий цветной металлургии, сернокислотное производство сопровождаются поступлением в атмосферу оксидов серы (по оценкам, в пересчёте на SO2 более 145150 млн. т ежегодно). Высокая концентрация SO2 влияет на процессы углеводного и белкового обмена.
Работа предприятий химической промышленности, полёты современных турбореактивных самолетов, наземный транспорт поставляют в атмосферу более 50 млн. т в год оксидов азота.
Предприятия нефтедобывающего, коксохимического и других производств выбрасывают в атмосферу сероводород.
Углеводороды выбрасываются нефтеперерабатывающими предприятиями и транспортом. Они поступают в атмосферу в виде парообразных конденсирующихся соединений сложного и изменяющегося в условиях атмосферы состава.
Общая масса ежегодного поступления в атмосферу мелкодисперсных аэрозолей составляет более 250 млн. т. Большой вклад вносит промышленность строительных материалов.
Основными загрязнителями воздуха в сельских районах являются животноводческие и птицеводческие фермы, промышленные комплексы по производству мясопродуктов, теплосиловые и энергетические установки. К источникам загрязнения относятся также склады, в которых происходит протравливание семян и поля, на которые вносятся минеральные удобрение и пестициды.
На сегодняшний день экологи насчитывают уже около 2000 загрязнителей атмосферы. Возрастает уровень загрязнения шумом, вибрацией, радиацией, электромагнитными полями и, особенно, химическими веществами.
Вещества-загрязнители атмосферы бывают двух видов:
газы, на их долю приходится до 90 % загрязнителей;
аэрозоли (греч. аer воздух, лат. solutio раствор) это коллоидные системы, состоящие из газовой среды (воздуха), в которой диспергированы (лат. dispersus рассеянный) твёрдые, размером 103 109 мм, или жидкие частицы размером 102 106 мм, выбрасываемые в атмосферу и находящиеся в ней длительное время во взвешенном состоянии (напр., пыль, зола, сажа, дым, мелкодисперсные смолистые вещества, оксид цинка, хлорид свинца, пылевидные металлы свинец, мышьяк, кадмий, марганец и др.).
Основными газовыми загрязнителями атмосферы являются оксиды углерода (СО, СО2), оксиды азота (NO, NO2), оксиды серы (SO2, SO3), сероводород, метан и другие углеводороды, аммиак, галогеноуглероды, галогеноводороды, тропосферный озон, формальдегид, фреоны.
Опасность оксида углерода (II), т.е. угарного газа (СО), который образуется при неполном сгорании топлива и не имеет запаха, заключается в его высокой токсичности. Ядовитое воздействие угарного газа объясняется тем, что СО в 200 раз легче присоединяется к гемоглобину крови и мешает его способности переносить кислород от лёгких к тканям. Выбросы угарного газа могут нарушить тепловой баланс верхней атмосферы.
Увеличение содержания в атмосфере углекислого газа СО2 приводит к потеплению климата в связи с чрезмерным поглощением воздухом теплового излучения Земли.
Накопление в атмосфере таких загрязнителей, как, например, оксиды азота, оксиды серы, сероводород, галогеноводороды приводит к выпадению, так называемых «кислотных дождей», пагубно действующих на живые организмы.
Значительные выбросы фреонов (хлорфторуглеродов) приводят к разрушению озонового слоя (озоносферы), образованию озоновых дыр (область с пониженным до 50 % содержанием озона). Оказалось, что фреоны вещества стабильные и инертные в тропосфере, поднимаясь в стратосферу, подвергаются фотохимическому разложению с выделением атомарного хлора, который разрушает молекулы озона. Важно отметить, что хлор при разрушении озона выступает в роли катализатора, поэтому количество его не уменьшается в ходе химических реакций. Таким образом, один атом хлора может в среднем разрушить 100 тыс. молекул озона, прежде чем будет дезактивирован и исчезнет из стратосферы. А среднее время жизни фреонов в атмосфере до 100 лет.
Аэрозоли являются источником загрязнения не только тропосферы, но и стратосферы, оказывая влияние на её спектральные характеристики, что может сказаться на альбедо земной поверхности.
Хотя время пребывания в атмосфере аэрозолей исчисляется несколькими сутками, их влияние может снизить температуру воздуха у земной поверхности на 0,3 0 С. Выпавшие на поверхность земли аэрозоли загрязняют почву, приводят к заболеваниям трав и деревьев.
С атмосферными осадками загрязнители поступают в почву. Некоторые растения могут накапливать эти загрязнения как из почвы, так и из атмосферы. Таким образом, начальное антропогенное загрязнение атмосферы оказывает влияние на остальные компоненты биосферы.
В реальных условиях человек и экосистемы подвергаются воздействию не отдельных загрязнителей, а их комбинаций, включающих физические, химические и биологические составляющие. Например, поступление в атмосферу городов углеводородов, оксидов азота, углерода и других веществ в сочетании с активным воздействием энергии солнечного излучения приводит к фотохимическим реакциям. В результате этого образуются тонкодиспергированные аэрозоли в виде голубой дымки смога.
Смог (англ. smoke дым, fog густой туман) характеризует сильное загрязнение воздуха в больших городах и промышленных центрах. Различают смог ледяной, влажный и фотохимический (сухой).
Ледяной смог (аляскинского типа) это сочетание газообразных загрязнителей, пыли и кристаллов льда, образующихся при замерзании капель тумана.
Влажный смог (лондонского типа) это результат сочетания газообразных загрязнителей, дыма, пыли и густого тумана.
Фотохимический смог (лос-анджеллеского типа) это пелена едких газов и аэрозолей повышенной концентрации (без тумана), возникающая под действием ультрафиолетового излучения Солнца в результате фотохимических реакций. Главными токсическими компонентами такого смога являются озон, угарный газ, оксиды азота.
Появлению смога способствуют рельеф местности, в виде долин и котлованов, и слабая турбулентность воздуха. Смог снижает видимость, вызывает коррозию и разрушение различных сооружений, отрицательно влияет на окружающую природную среду и здоровье человека.
В течение 18 и 19 веков задымление воздуха носило местный характер. В настоящее время связи с бурным развитием промышленности и огромными масштабами сжигания ископаемого топлива, темпы расходования запасов свободного кислорода и накопления углекислого газа в атмосфере резко увеличились. По оценкам, за последние 100 лет концентрация углекислого газа в атмосфере увеличилась на 1218 %, на 1012 % возросла задымлённость атмосферы и на 710 % снизилась освещённость Земли. В результате круговорот углерода в природе оказался нарушенным.
В настоящее время толщина слоя загрязненного воздуха составляет 1,52 км. Наиболее чистый воздух над океанами. В деревнях и сёлах он содержит в 10 раз больше пылевидных примесей, над поселками и небольшими городами в 35 раз, а над промышленными центрами примерно в 150 раз больше, чем над океанами.
Загрязнение гидросферы это снижение её биосферных функций и экономического значения в результате поступления в неё вредных веществ. В начале 20 века науке было известно всего 17 загрязнителей природных вод, сейчас их насчитывается более 3 тысяч. Особенно опасно химическое загрязнение водоёмов. Загрязнители попадают в гидросферу из атмосферы с атмосферными осадками. Однако, основные источники загрязнения гидросферы связаны с антропогенной деятельностью. На сегодня главные антропогенные загрязнители гидросферы очень разнообразны.
Двадцать процентов Мирового океана покрыто нефтяной пленкой. Нефть может попадать в воду в результате её естественных выходов в районах залегания. Однако, ежегодно большое количество нефти и нефтепродуктов (от 10 до 20 млн. т) попадает в процессе добычи, транспортировки, переработки и использования в качестве топлива и промышленного сырья, покрывая поверхность тонкой плёнкой, препятствующей нормальному газо- и влагообмену между водой и воздухом. Кроме того, сточные воды промышленных предприятий и многочисленные аварии танкеров добавляют к этой цифре ещё несколько тысяч тонн.
Поверхностно-активные вещества (ПАВ), в том числе, синтетические моющие средства (CMC), широко применяемые в быту и промышленности. Присутствие CMC в воде придаёт ей неприятный вкус и запах. В загрязнённых реках с быстрым течением образуется пена. Концентрация CMC в воде в 1 мг/л вызывает гибель планктона, 3 мг/л гибель дафний и циклопов, 5 мг/л – заморы рыб. CMC являются ксенобиотиками, замедляют естественное самоочищение водоёмов, действуют угнетающе на многие биохимические процессы.
Соли тяжёлых металлов свинца, меди, цинка, кобальта, сурьмы, олова, висмута, ртути и других, попадающие из атмосферы, со сточными водами промышленных предприятий и со сбросами водного транспорта, являются опасными загрязнителями водоемов. Действие тяжелых металлов во многом обусловлено способностью гидробионтов к биоаккумуляции загрязнителей. Биоаккумуляция загрязнителей организмами это накопление в тканях живых организмов химических веществ, загрязняющих среду обитания, в результате усвоения их в ходе питания.
Минеральные удобрения, т.е. нитраты, хлориды, сульфаты содержащие макробиогенные элементы, которые, попадая в гидросферу, вызывают эвтрофикацию водоемов.
Радиоактивные вещества и продукты радиоактивного распада представляют для гидросферы особую опасность и связаны со сбросом и захоронением радиоактивных отходов. Морская вода разъедает контейнеры, и их содержимое оказывается в воде. Радиоактивные вещества аккумулируются планктоном и рыбой, затем по цепям питания передаются другим животным и человеку. Установлено, что радиоактивность планктона в тысячи раз выше, чем воды, в которой он обитает.
Тепловое загрязнение водоемов вызвано сбросом подогретой воды ТЭС и АЭС. Приводит к значительному снижению количества растворенного в воде кислорода, что снижает качество воды, приводит к цветению водоемов и в конечном итоге к их заболачиванию.
Кислотные дожди приводят к закислению водоемов и гибели всей водной экосистемы.
Загрязнение почвы это снижение продуктивности плодородия и биосферных функций её из-за попадания загрязнителей. Загрязнение почвы происходит и природным путём, однако, наиболее распространено и опасно антропогенное загрязнение. В роли основных загрязнителей почв выступают металлы и их соединения, пестициды и удобрения, нефть и нефтепродукты, а также радиоактивные элементы.
Твердые отходы отвалы вскрышных пород при горных разработках, особенно при добыче полезных ископаемых открытым способом; свалки промышленного и бытового мусора; зола из дыма промышленных предприятий и транспорта и т.д.
Пестициды, удобрения, промышленные токсиканты (в том числе ТМ, нефть и нефтепродукты) и болезнетворные бактерии, попадающие в почву со стоками с полей, из навозохранилищ, при нефтедобыче и её транспортировке, со сточными водами промышленных предприятий и отходами транспорта, при выпадении «кислотных» и «радиоактивных» дождей и так далее.
К наиболее опасным загрязнителям почв относится ртуть и её соединения, попадающие в почву с отходами промышленных предприятий и с ядохимикатами. Массовый и опасный характер носит загрязнение почв свинцом. Так, при выплавке каждой тонны свинца в окружающую среду с отходами попадает его до 25 кг. Пестициды и токсиканты, накапливаясь в почве, вызывают гибель почвенных организмов, что нарушает естественный процесс почвообразования. При попадании химических загрязнителей в почве нарушаются сложившиеся соотношения между химическими компонентами, в результате чего экосистемы почвы выходят из равновесия.