<<
>>

Химическое загрязнение


Химическое загрязнение — увеличение количества химических компонентов определенной среды, а также проникновение (введение) в нее химических веществ в концентрациях, превышающих норму или не свойственных ей.
Наиболее опасно для природных экосистем и человека именно химическое загрязнение, поставляющее в окружающую среду различные токсиканты — аэрозоли, химические вещества, тяжелые металлы, пестициды, пластмассы, поверхностно-активные вещества (детергенты) и др. По расчетам специалистов, в настоящее время в природной среде содержится от 7 до 8,6 млн химических веществ, причем Их арсенал ежегодно пополняют еще 250 тыс. новых соединений. Многие химические вещества обладают канцерогенными и мутагенными свойствами, среди которых особенно опасны 200 наименований (список составлен экспертами ЮНЕСКО): бензол, асбест, бензапирен, пестициды (ДДТ, элдрин, линдан и др.), тяжелые металлы (особенно ртуть, свинец, кадмий), разнообразные красители и пищевые добавки. По оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), в мире около 600 млн человек подвержены воздействию атмосферы с повышенной концентрацией диоксида серы и более 1 млрд человек (каждый шестой житель планеты) — вредной для здоровья концентрацией взвешенных частиц в атмосфере.
Аэрозольные загрязнения. Аэрозоли — это аэродисперсные (коллоидные) системы, в которых неопределяемо долгое время могут находиться во взвешенном состоянии твердые частицы (пыль), капельки жидкости, образующиеся либо при конденсации паров, либо при взаимодействии газовых сред, либо попадающие в воздушную сре

ду без изменения фазового состава. Воздух или газ являются дисперсной средой, а твердые и жидкие частицы — дисперсной фазой. Значительная часть аэрозолей формируется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром.
В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана. По своему происхождению аэрозоли подразделяются на естественные и искусственные. Первые возникают в природных условиях без участия человека. Они поступают в тропосферу (реже — в стратосферу) при извержении вулканов, сгорании метеоритов, при возникновении пылевых бурь, поднимающих с земных поверхностей частицы почвы и горных пород, а также при лесных и степных пожарах. Во время извержения вулканов, черных бурь или пожаров образуются громадные пылевые облака, которые нередко распространяются на тысячи километров. Штормовые ветры сбрасывают с гребней волн капельки морской воды, насыщенной солями хлоридов и сульфатов, которые осаждаются как на водной поверхности, так и на суше. В Англии, к примеру, ежегодно на 1 м2 суши прибрежной зоны осаждается 25—35 г солей.

Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются тепловые электростанции, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в них обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода (несгоревший уголь, сажа, смола); реже — оксиды железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. Большее разнообразие свойственно органической пыли, включающей алифатические и ароматические углеводороды, а также соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях.
Для сравнительной характеристики участия естественных и искусственных источников загрязнения воздуха твердыми частицами в табл. 5.1 приведены данные о поступлении в атмосферу первичных загрязнителей. Там же представлены сведения о вторичных загрязнителях, связанных с новообразоваями в атмосфере,
Независимо от происхождения и условий образования аэрозоль, содержащий твердые частицы размером менее 5,0 мкм, называется дымом, а содержащий мельчайшие частицы жидкости — туманом. Разновидностью тумана является смог, представляющий собой мно-
Таблица 5.1
Твердые частицы, поступающие в атмосферу

Загрязнители

Масса, млн т/год

Естественные источники
Первичные загрязнители


Частицы почвы и горных пород (ветровая эрозия)

100 - 500

Зола от лесных пожаров и сжигания


сельскохозяйственных отходов

3 - 150

Морская пыль

300
/>Вулканическая пыль
20 - 150

Вторичные загрязнители


Сульфаты

130 -200

Соли аммиака

80 -270

Нитраты

60 - 430

Углеродные соединения растительного происхождения

75 - 200

ИТОГО по естественным источникам

770 - 2200

Искусственные источники
Первичные загрязнители


Частицы в составе промышленных выбросов

10-90

Вторичные загрязнители


Сульфаты

130 - 200

Нитраты

30-35

Углеводородные соединения

15 -90

ИТОГО по искусственным источникам

185 -415

ВСЕГО по естественным и искусственным источникам

960 - 2615

покомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц. В состав смеси входят озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения перекисной природы, называемые в совокупности фотооксидантами. Смог возникает в результате фотохимических реакций при определенных условиях: наличии в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и других загрязнений, интенсивной солнечной радиации и безветрия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое.
Время пребывания частиц в атмосфере зависит как от их размеров и плотности, так и от состояния атмосферы (скорости ветра, состава, температуры). Крупные частицы обычно не переносятся в верхние слои атмосферы и оседают в течение нескольких часов вблизи источников их образования с рассеиванием у земной поверхности в подветренную сторону. Поэтому над крупными промышленными центрами образуются мощные скопления пылей и аэрозолей.
Мелкие частицы (размер частицы меньше 1 мкм) имеют время пребывания в нижних слоях атмосферы 10—20 суток, что достаточно для их распространения на большие расстояния от источников образования. При этом за счет перемещений воздушных потоков они могут проникать в верхние слои тропосферы и из них — в стратос- феру.
Атмосферная пыль и аэрозоли ослабляют солнечное излучение в результате рассеяния, отражения и поглощения лучистой энергии. При достаточно длительном сохранении интенсивных загрязнений атмосферы это приводит к понижению температур и локальным изменениям климатических условий, что наиболее заметно в крупных городах и промышленных центрах.
Пыль и аэрозоли играют заметную негативную роль в процессах коррозии металлических и силикатных материалов из-за образования на поверхностях отложений. В них содержатся сульфаты и хлориды, удерживающие влагу, в которой могут растворяться кислотные газы (S02 и НС1). Образующиеся кислоты, удерживаемые в отложениях, разрушают изделия из камня, стекла, металлов. Пылевые и аэрозольные загрязнения атмосферы оказывают заметное влияние на здоровье человека, состояние флоры и фауны.
Снижение потока солнечного излучения уменьшает образование (действием УФ-лучей) витамина D3, недостаток которого отрицательно сказывается на формировании костных тканей, обусловливая заболевания рахитом. УФ-лучи уничтожают некоторые микроорганизмы, оказывая стерилизующее действие. Недостаток УФ-лучей повышает риск инфекционных бактериальных заболеваний у растений и животных.
В зонах интенсивных пылевых загрязнений возникает ряд специфических заболеваний. К ним, среди прочих, относятся силикоз и асбестоз, приводящие к изменению тканей легких. Силикоз вызывается кварцевой пылью с размерами частиц около 3 мкм, асбестоз — иглами асбеста длиной более 5 мкм и сечением около 3 мкм.
В отличие от химически инертных частиц кварца и асбеста, действующих на организм чисто механически, мельчайшие частицы металлов, или ионы металлов, вызывают образование в крови токсических продуктов биохимических реакций. Особенно распространенными заболеваниями являются токсичные отравления свинцом, кадмием, алюминием, бериллием и их соединениями, а также вспышки инфекционных заболеваний у людей, имевших длительный контакт с пылью вольфрама, ванадия, титана и ряда шлаков металлургических производств. Многие виды пылей антропогенного происхождения являются причинами аллергических заболеваний. При этом аллергенами могут быть пыли как минерального, так и органического происхождения.
Гигроскопические пыли могут обезвоживать поверхности листьев растений, образуя на них корку, что нарушает естественные процессы обмена. Отложения ряда пылей препятствуют процессу фотосинтеза, отражая часть лучистой энергии в области длин волн 400—750 нм. Наоборот, пыли, типичные для городов, поглощают инфракрасное излучение, способствуя этим перегреву листьев растений. Все это нарушает нормальный водный и температурный режим и в конечном счете снижает активность ферментов фотосинтеза.
Химические вещества. В результате деятельности человека в атмосферу поступают углекислый газ С02, угарный газ СО, диоксид серы S02, метан СН4, оксиды азота N02, NO и N20, хлорфторугле- роды (при использовании аэрозолей в быту), а также углеводороды, бензапирен и др. (в результате работы транспорта).
В среднем автомобиль с бензиновым двигателем за 15 тыс. км пробега потребляет 4350 кг кислорода и выбрасывает 3250 кг диоксида углерода, 530 кг оксида углерода, 98 кг углеводородов, 27 кг оксидов азота. Наиболее массовые загрязнители, выбрасываемые всеми техногенными источниками в атмосферу Земли, представлены в табл. 5.2.
Таблица 5.2
Загрязнители, выбрасываемые всеми техногенными источниками в атмосферу Земли (90-е годы XX столетня)

Загрязнители

Масса, млн т/год

Твердые частицы дыма и промышленная пыль

580

Окислы углерода

360

Летучие углеводороды и другая органика

320

Окислы серы

160

Окислы азота

ПО

Соединения фосфора

18

Сероводород

10

Аммиак

8

Хлор

1

Фтористый водород

1
/>

Кислотные осадки (дожди) формируются при растворении в воде диоксидов серы и азота. Такие осадки, выпадая на поверхность Земли, имеют показатель кислотности pH lt; 5,6. Основным источником подобных выбросов являются продукты сгорания топлива (уголь, мазут, бензин и т. д.) в энергетических установках предприятий, наземного и воздушного транспорта, выбросы химических и металлургических предприятий.
Время пребывания S02 в атмосфере в среднем составляет около 15 дней. Благодаря своей активности S02 в атмосфере претерпевает ряд химических превращений, главное из них — окисление с образованием H2S04. При этом кислотные пары могут разноситься с облаками на сотни километров (до 1500 км). Самоочищение атмосферы происходит в основном за счет выпадения кислотных дождей и снега, наносящих серьезный ущерб флоре, фауне (химические ожоги), вызывающих коррозию и разрушение элементов зданий и сооружений.
Самоочищение происходит и при «сухом» осаждении кислых осадков, т. е. в виде самого газа S02, газа, адсорбированного на пылевых частицах, или S02, растворенного в мельчайших каплях тумана, в котором медленно образуется аэрозоль серной кислоты. Такой процесс типичен для атмосферы с высоким содержанием диспергированной влаги, мелкодисперсной пыли и мощных выбросов S02.
Кислотные соединения азота (NO, N02) из антропогенных источников — энергетики (57,0%), транспорта (38,5%), промышленности (4,5%) — служат источниками образования атмосферной азотной кислоты.
Азотная кислота, в отличие от серной, может долгое время оставаться в атмосфере в газообразном состоянии, так как она плохо конденсируется. Пары HN03 в атмосфере поглощаются капельной влагой облаков и частицами аэрозоля.
Кислотные осадки антропогенного происхождения заметно изменили pH окружающей среды. Около 150 тыс. лет назад при образовании ледяного покрова Гренландии уровень pH в осадках составлял 6,0—7,6 (по результатам анализов полярных льдов и горных глетчеров). Во второй трети XX в. pH атмосферных осадков составлял: 4,0-4,5 в Германии и странах Бенилюкса, 2,4—2,7 в Шотландии и Норвегии, 4,0—4,5 в США и Японии.
Значение pH среды чрезвычайно важно для жизнедеятельности практически всех организмов, прежде всего для процессов, связанных с действием ферментов, гормонов, регулирующих обмен веществ, рост и развитие, Особенно это чувствительно для обитателей водоемов и рек, для организмов, которые адаптировались к среде с pH = 6 — 7. В подкисленной среде яйцеклетки сперма и молодь водных обитателей гибнут, что затрагивает пищевые цепи, сокращая сначала популяции птиц и животных, питающихся обитателями вод, а затем и хищников. Попадая в озерные экосистемы, кислотные осадки понижают величину pH, что нередко вызывает гибель рыб, а иногда и животного населения (табл. 5.3).
Таблица 5.3
Реакция гидробионтов на нонижение значений pH
в пресноводных водоемах Швеции
pH | 7.5 | 7,0 1              6,5              |              6,0              | 5,5 |              5,0 |              4,5              | 4,0 | 3,5
Гибнут ракообразные, улитки,
моллюски и т.д.
| Гибнут лосось, форель, плотва I              Г ибнут сиг, хариус
              I Гибнут окунь и щука
Г ибнут угорь
и голец
Бурное развитие белого мха,
омертвление водоема
Негативные последствия проявляются при значениях pH lt; 5,5. Все нормальные формы жизни прекращаются при значениях pH lt; 5.
Кислотные осадки вызывают деградацию лесов, особенно хвойных. Попадая на листья и хвою деревьев, кислоты разрушают защитный восковой покров, что делает растения более уязвимыми для патогенных организмов, снижает их сопротивляемость болезням, способствует большему испарению влаги.
При взаимодействии с почвенным покровом усиливаются процессы выщелачивания биогенов. При pH lt; 4 резко снижается активность редуцентов и азотфиксаторов, обостряется дефицит питательных веществ: почвы теряют плодородие. При фильтрации в почву кислоты выщелачивают алюминий и тяжелые металлы, ранее находившиеся в нерастворимых соединениях. Например, в кислой среде возрастает растворимость А1(ОН)3. Если pH среды меньше 3,0, то ионы алюминия вымываются из кристаллической решетки. При концентрации А13+, превышающей 0,3 мг/л, среда становится токсичной для рыб, к тому же алюминий связывает фосфаты, снижая питательные запасы в реках и водоемах.
Под действием кислотных осадков существенно ускоряется коррозия металлов, нарушается целостность лакокрасочных покрытий, стекол, разрушаются здания, памятники архитектуры. Например, серная кислота, взаимодействуя с мрамором (СаС03), образует CaS04, что приводит к «шелушению» изделий из этого камня. Из минеральных строительных конструхций и стекол выщелачиваются карбонаты и силикаты.
Среди вредных веществ, содержащихся в воздухе городов, имеется большая группа, обладающая канцерогенной активностью. Это в первую очередь бензапирен и другие ароматические углеводороды, поступающие от котельных промышленных предприятий и с выхлопными газами автотранспорта. Исследования канцерогенных веществ, содержащихся в воздушной среде, показывают, что возникновение онкологических заболеваний у людей происходит, в частности, от постоянного суммирования небольших доз канцерогенов в течение длительного времени.
Быстрыми темпами нарастает в атмосфере содержание двухатомных газов с несимметричной молекулой (СО, НС1 и др.), трехатомных газов (Н20, С02, S02) и газов с числом атомов больше трех (NH3, СН4 и др.). Эти газы обусловливают парниковый эффект. Солнечная радиация, падающая на Землю, частично поглощается поверхностью суши и океана, 30% ее отражается в космическое пространство. Поглощенная энергия солнечной радиации преобразуется в теплоту и излучается в космос в диапазоне длин волн инфракрасного излучения. Чистая атмосфера прозрачна для ИК-излучения, а атмосфера, содержащая пары трехатомных (парниковых) газов (воды, углекислого газа, оксидов серы и др.), поглошает инфракрасные лучи, благодаря чему происходит ее разогрев. Поэтому парниковые газы можно уподобить стеклянному покрытию в обычных садовых парниках.
Известно, что основным по значению парниковым газом являются водяные пары. За ним следуют С02, дающий сегодня по сравнению с началом XX в. прирост парникового эффекта на 49%, метан (18%), фреоны (14%), диоксид азота (6%). На остальные газы приходится около 13% прироста.
Естественный парниковый эффект создает прирост средней температуры поверхности Земли на 30 °С. При его отсутствии средняя температура поверхности Земли, составляющая в настоящее время 15 °С, понизилась бы до - 15 °С — началось бы глобальное оледенение.
С XVIII в. природное равновесие содержания парниковых газов в атмосфере претерпело серьезные нарушения. За 250 лет солержа- ние метана в атмосфере увеличилось в три раза вследствие антропогенного влияния (добыча ископаемых видов топлива, рисовые поля, биохимические процессы разложения бытовых отходов и др.).
Рост концентрации С02 сначала происходил из-за массовой вырубки лесов, потреблявших углекислый газ на синтез биомассы растений. С начала XIX в. определяющую роль приобретают выбросы С02 с продуктами сжигания ископаемого топлива, технологических и попутных газов. Общее выделение С02 в результате антропогенной деятельности составляет ежегодно 0,7% от его естественного содержания в атмосфере. При этом промышленность увеличивает выбросы С02 ежегодно на 3,5%, что сегодня составляет 30 млрд т/год. Это означает, что в конце XX в. ежегодно средняя концентрация С02 постоянно увеличивалась примерно на 3,4% в год, имея сезонные колебания ± 2% от среднего значения.
Из антропогенных источников поступления С02 в атмосферу наибольший вклад вносят предприятия энергетики и металлургии, транспорт, использующий двигатели внутреннего сгорания. Например, воздушный лайнер за 7 часов полета потребляет на сжигание топлива около 35 т кислорода, а количество С02, выбрасываемое его двигателями в атмосферу, на 37,4% больше. Наибольшее загрязнение атмосферы С02 имеет место в промышленно развитых странах. В Северной Америке оно в 2 раза больше, чем в Южной Америке, и в 10 раз больше, чем в странах Юго-Восточной Азии (не считая Японии).
Рост населения планеты и интенсивное разведение домашних животных привели к тому, что биологический вклад (аэробное дыхание, разложение органических остатков) в увеличение концентрации С02 в атмосфере стал соизмерим с промышленными выбросами.
Увеличение содержания С02 в атмосфере на 60% по сравнению с современным уровнем вызовет повышение температуры земной поверхности на 1,2—2 °С. Это значит, что если до 2050 г. потребление ископаемого топлива не сократится, то концентрация С02 в атмосфере возрастет вдвое, а температура поверхности Земли увеличится на 3 °С.
К сожалению, возрастет дополнительный вклад в парниковый эффект таких газов, как N02, S02, NH3, СН4, фреонов и других органических веществ. Опережающими темпами растет содержание в атмосфере СН4 и NH3. Установлено, что если темпы роста концентрации в атмосфере газов, дающих дополнительный вклад в парни

ковый эффект, сохранятся на сегодняшнем уровне, то к 2020 г. их действие будет эквивалентно удвоению концентрации С02 в атмосфере.
Потепление на Земле, по мнению климатологов, за счет роста температуры на 0,1 “С считается значительным, а увеличение температуры на 3,5 °С — критическим. Таяние полярных льдов приведет к повышению уровня Мирового океана почти на 100 м, т.е. к затоплению территории, на которой проживает подавляющее большинство населения и сосредоточен основной промышленный потенциал. Изменение перепада температур между зонами полюсов и экватора Земли нарушит естественную циркуляцию атмосферы. Ослабление интенсивности переноса воздушных масс приведет к существенному ухудшению переноса теплоты и влаги — произойдет глобальное изменение климата: в зонах с жарким и сухим климатом увеличится количество атмосферных осадков, в умеренном поясе станет значительно суше.
Развитие процессов в биосфере во многом зависит от состояния озонового экрана. Верхние слои атмосферы в значительной степени определяют условия жизни на Земле. Они являются защитным барьером на пути излучений и частиц высоких энергий из космоса. Особую опасность для биосферы представляет жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца в диапазоне длин волн X lt; 310 нм.
Известно, что более 99% ультрафиолетового излучения Солнца поглощается слоем озона (03) на высоте 25 км (в среднем) от поверхности Земли. Такой слой формируется в стратосфере, где под действием ультрафиолетового излучения молекулы кислорода диссоциируют. Появляющийся атомарный кислород и молекулы кислорода взаимодействует друг с другом, что и приводит к образованию озона. Естественные процессы круговорота озона в стратосфере нарушаются из-за его разрушения катализаторами, значительная доля которых техногенного происхождения. Среди таких катализаторов наиболее важная роль принадлежит оксидам азота, а также атомам хлора.
Основными источниками N0 антропогенного происхождения являются двигатели внутреннего сгорания, высокотемпературные энергетические установки, в которых сжигается топливо, ракеты и сверхзвуковые самолеты.
Атомарный хлор образуется в результате фотохимического разрушения фреонов (фторхлорметанов): CF2C12 и CFC13. Эти вещества — чисто антропогенного происхождения. Они летучи и устойчивы в тропосфере. Их источником являются холодильные установки и аэрозольные баллоны. С момента начала промышленного применения (в 50-е годы XX н.) содержание фреонов в атмосфере увеличивалось на 5—10% в год.
В настоящее время учеными обнаружены зоны стратосферы с существенно сниженным содержанием озона. Такая «озоновая дыра» зафиксирована над Антарктидой в весенние месяцы года. Она имеет обширные области с практически нулевой концентрацией озона. По оценкам специалистов, вклад каталитических процессов в разложении 03 пока невелик. И хотя источник «озоновой дыры» пока непонятен (естественный или антропогенный), натурными измерениями установлено почти двукратное превышение хлорсодержащих частиц в зоне антарктической «дыры» по сравнению со средним значением.
Уменьшение озонового слоя, средняя толщина которого составляет 2,5—3,5 мм, может привести к изменениям облачного покрова Земли, нарушению теплового баланса атмосферы. Рост мощности ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли, может оказать существенное влияние на биологические и геохимические процессы. Концентрация озона за 10—20 лет уменьшится примерно на 17% при существующем уровне загрязнения атмосферы фторхлоруглеродами и оксидами азота. При этом климатические условия у поверхности Земли почти не изменятся, а уровень ультрафиолетового излучения возрастет на 30%. Действие этого излучения вызывает у организмов поверхностные ожоги, разрушает иммунную и генную системы, вызывает онкологические заболевания (рост дозы УФ-излучения на 1 % ведет к увеличению раковых заболеваний на 2%).
Среди химических загрязнителей воды наибольшую опасность представляют фенолы, нефть, нефтепродукты, тяжелые металлы, пестициды. Загрязнение океана связано главным образом с поступлением огромного количества вредных антропогенных веществ на его акватории. Постоянно увеличивающаяся нагрузка на Мировой океан ведет к постепенной деградации морских экосистем с неблагоприятными экологическими последствиями. В настоящее время в водные объекты ежегодно поступает более 30 тыс. различных химических соединений в количестве до 1,2 млрд т, а всего на поверхность океанов, морей и рек в результате аварий и сбросов поступают нефть и нефтепродукты в количестве, превышающем 12 млнт/год. Каждая тонна нефти образует на воде пленку площадью до 12 км2. Основные пути попадания загрязняющих веществ в моря показаны на рис. 5.2. В первую очередь это прямой сброс; затем следуют поступления



                            Т
Планктон, бентосные организмы (растения
рыбы, морские животные и пр.)
Рис. 5.2. Пути попадания загрязняющих веществ в моря
токсикантов с речными стоками и из атмосферного воздуха. Значительное количество загрязнителей поступает в акватории морей в результате уничтожения отходов, а также за счет работы морского транспорта и во время аварий танкеров.
Гидросфера (водная оболочка Земли) включает ресурсы океанов, морей, рек, озер, прудов, болот и подземных вод. Общее количество воды на Земле достигает 1386 млн км3, а площадь океанов и морей в 2,5 раза больше площади сущи. Из общего количества воды на Земле доля пресных вод немногим более 2,5%, (на каждого жителя Земли приходится около 5,8 млн м3). Однако для человека доступно менее 30% этих вод, так как основная их часть сосредоточена в ледниковых покровах (около 27 млн км3), скрыта в подземных образованиях (объем подземных пресных вод примерно в 100 раз больше объема поверхностных вод в озерах, реках, болотах).
Мировой океан является для человека источником поистине колоссальных ресурсов. Это энергетический потенциал океанических приливов и волн, морских течений, термальных вод. Дно океана содержит отложения, в которых имеются запасы более 30 элементов таблицы Менделеева, сопоставимые с их запасами на суше. Из океана добывают 90% брома, 60% магния, 30% поваренной соли и другие ресурсы. Океан обеспечивает более 75% мирового грузооборота. Уже сегодня более 25% белков животного происхождения население Земли получает, используя пищевые ресурсы океана.
Многие сотни лет человечество получало от океана столько благ, что сложилось устойчивое мнение об океане возможностей. Однако уже со второй половины XX в. действие антропогенного пресса про-
явилось в целом ряде негативных явлений и процессов, поэтому стали говорить об океане проблем.
Деятельность человека охватывает практически всю акваторию Океана: поверхность служит для мореплавания и рыболовства; прибрежная зона — для извлечения биологических, минеральных, энергетических ресурсов. интенсивного промышленного и жилищного строительства; дно — для добычи полезных ископаемых и захоронения отходов.
Океаны, как огромные впадины в рельефе Земли, являются местом стока поверхностных вод суши. За небольшим исключением замкнутых бессточных водных объектов, земная поверхность промывается атмосферными осадками. Ручьи впадают в реки и озера, реки несут свои воды в моря и океаны. Таким образом, в загрязнении Мирового океана участвуют почти все источники антропогенного происхождения. Основными загрязнителями вод являются взвешенные вещества, нефтепродукты, фосфор общий, фенол, СПАВ, соединения тяжелых металлов.
В водные объекты поступают загрязненные сточные воды бытового, промышленного происхождения, ядохимикаты и удобрения, смываемые с полей при паводках, загрязненные атмосферные осадки. В результате речных течений и циркуляционных процессов такие загрязнения распределяются на большие пространства и переносятся на сотни и даже тысячи километров.
В Мировой океан сбрасываются для захоронения многие тысячи тонн отходов, в том числе и весьма опасных химически активных веществ. При этом в водную среду поступают неорганические, а также органические вещества различного химического и фазового состава. Их отрицательное воздействие проявляется как в образующихся донных отложениях, так и при физико-химическом взаимодействии с водами и населяющими их организмами. Человек в своей деятельности расходует воду не только для удовлетворения естественных физиологических потребностей. Вода используется промышленностью и сельским хозяйством во все больших масштабах. При этом значительная ее часть связывается в технологических процессах и безвозвратно теряется. По оценкам ученых, такие потери составляют около 150 км3/год — более 1% устойчивого стока пресных вод. Общее потребление пресной воды в 2002 г. составляет 3000 км3/год (с 2000 г. оно возросло на 3,1%). Наибольшее потребление воды идет на сельскохозяйственные нужды. Так. на выращивание 1 т пшеницы за вегетационный период требуется 1,5 т воды. 1 т риса — 7 т.
1 т хлопка - Ют.

В промышленности пода используется для приготовления растворов, проведения различных реакций нагрева и охлаждения, транспорта сырья, промывки изделий и многих других целей. Так, на производство 1 т продукции расходуется воды, м3: стали, чугуна 15-20, кальцинированной соды - 10, серной кислоты 25-80, вискозного шелка 300-400, меди — 500, пластических масс 100—500, синтетического каучука 2000—3000.
Тепловая электрическая станция мощностью 300 МВт потребляет 300 тыс. м3 воды в год, химический комбинат средней мощности имеет суточный водооборот до 2 млн м3 воды. Во все больших масштабах потребляется вода в крупных городах. Так, средний расход воды для города с населением 3 млн человек составляет 2 млн м3 в сутки. Часть потребляемой воды химически и физически связывается, а часть возвращается в водные объекты в состоянии, загрязненном агрессивными химическими примесями.
В городах для таяния ледяного покрова используют поваренную соль, которая в достаточно широком диапазоне концентраций нетоксична для организмов. В десятки раз больше солей поступает со сточными водами соляных рудников. Поэтому, если пресная вода обычно содержит 2—10 мг хлоридов на литр, то в результате сбросов солей в водные объекты их концентрация может достигать в зонах стоков 2000— 15 000 мг/л. В таких условиях речные и озерные рыбы погибают. Вода с содержанием хлоридов более 200 мг/л непригодна для питья, а с концентрацией хлоридов 50—300 мг/л непригодна для поливного земледелия. Минеральные удобрения, вымываемые дождями с полей, попадают в водные объекты. Соединения, содержащие ионы N03”, NH4+, Н2Р04_, НР042-, способствуют зарастанию водных объектов растительностью, а попадая в организм с питьевой водой, оказывают токсичное действие.
Продуктами жизнедеятельности человека и отходами ряда производств являются органические соединения, которые поступают в водные объекты со сточными водами или в результате фильтрации через грунты. Их разложение осуществляется в результате деятельности аэробных микроорганизмов. В процессах брожения при интенсивном потреблении кислорода, растворенного в воде, образуются С02, Н20, а также нитраты, фосфаты, сульфаты и кислородсодержащие соединения других элементов. Это приводит, с одной стороны, к интенсивному разложению водорослей и растений, что стимулирует рост зоопланктона и внешней фауны, потребляющей кислород для дыхания. С другой стороны, возникающий дефицит кислорода приводит к массовой гибели аэробных организмов и размножению анаэробных микроорганизмов, разрушающих биомассу путем брожения. Анаэробный распад приводит к образованию СН4, С02, H2S, NH3, что изменяет состав воды и делает часто невозможным ее возврат к аэробным условиям. Негативное влияние фекальных стоков — существенно, особенно из-за повышенного содержания в них мочевины и патогенных микробов. Выделяющийся при разложении аммиак создает в воде щелочную среду, растворяющую белки, вызывая массовую гибель организмов.
Другими органическими загрязнителями являются фенолы, их галогенсодержащие соединения, которые попадают в водные объекты со стоками предприятий по производству клеев, пластмасс, кокса. Время распада этих соединений в среднем составляет 7 дней. Весьма опасны органические растворители, широко применяемые в различных химических технологиях (например, хлорированные углеводороды). Время их распада в водной среде составляет более двух дней.
В число антропогенных загрязнителей водных объектов входят вещества, которые устойчивы или трудноразрушаемы в водной среде. Нефть и нефтепродукты попадают в водные объекты при бурении скважин, потерях при транспортировке, авариях танкеров, а также в результате сливов при промывании емкостей. На воде нефть образует тонкие пленки, которые постепенно создают эмульсионный слой нефть-вода, покрывающий в настоящее время до 20—30% поверхности Мирового океана.
Этот слой препятствует газообмену между водой и воздухом. Это ведет к повышению в клетках водных организмов содержания С02 и их гибели. У морских птиц нефтяная пленка склеивает оперение, что приводит к утрате способности держаться на воде и переохлаждению организма. Микробиологический распад нефти идет неделями и даже месяцами. Растворимые продукты окисления могут обладать токсическим действием, а нерастворимые выпадают в осадок, загрязняя донные отложения. Такие продукты отрицательно воздействуют на гидробиоценозы, так как аккумулируются в морской биоте, передаваясь по трофическим цепям. Потребление морепродуктов создает угрозу здоровью людей. В морскую среду ежегодно поступает около 3,5 млн т нефти и нефтепродуктов, которые распространяются по акватории весьма неравномерно (табл. 5.4).
В наибольшей степени от загрязнений страдают полузамкнутые моря с высокой интенсивностью судоходства. Так, на Средиземное море приходится до 17% всех загрязнений в океане. Среднее содержание нефти на поверхности Средиземного моря в 1990 г. состави-
Таблица 5.4
Концентрация нефтепродуктов в районах Мирового океана

Акватория

Коице1ГГрацня, мкг/л

Тихий океан, северо-западная часть

0-200

Атлантический океан, северо-восточная часть

0-160

Северное море

0-350

Средиземное море

0-950

Балтийское море

800-8000

ло 38 мг/м2, в то время как на поверхности Мирового океана — всего 0,8 мг/м2.
Тяжелые металлы. Особое значение приобрело загрязнение биосферы группой полютантов, получивших общее название «тяжелые металлы». К ним относится более 40 химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева. Тяжелыми металлами являются хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, галлий, германий, молибден, кадмий, олово, сурьма, теллур, вольфрам, ртуть, таллий, свинец, висмут. Употребляемый иногда термин «токсические элементы» здесь неудачен, так как любые элементы и их соединения могут стать токсичными для живых организмов при определенной концентрации и условиях окружающей среды.
Главным природным источником тяжелых металлов являются породы (магматические и осадочные) и породообразующие минералы. Многие минералы в виде высокодисперсных частиц включаются в качестве акцессорных (микропримесей) в массу горных пород. Примером таких минералов являются минералы титана (брусит, ильменит, анатаз), хрома (FeCr204). Многие элементы поступают в атмосферу с космической и метеоритной пылью, с вулканическими газами, горячими источниками, газовыми струями.
Поступление тяжел ых металлов в биосферу вследствие техногенного рассеивания осуществляется разнообразными путями. Важнейшим из них является выброс при высокотемпературных процессах в черной и цветной металлургии, при обжиге цементного сырья, сжигании минерального топлива. Кроме того, источником загрязнения биоценозов могут служить орошение водами с повышенным содержанием тяжелых металлов, внесение осадков бытовых сточных вод в почвы в качестве удобрения. Вторичное загрязнение происходит также вследствие выноса тяжелых металлов из отвалов рудников или металлургических предприятий водными или воздушными потоками, поступления больших количеств тяжелых металлов при постоянном внесении высоких доз органических, минеральных удобрений и пестицидов, содержащих тяжелые металлы.
Часть техногенных выбросов тяжелых металлов, поступающих в атмосферу в виде аэрозолей, переносится на значительное расстояние и вызывает глобальное загрязнение. Другая часть с гидрохимическим стоком попадает в бессточные водоемы, где накапливается в водах и донных отложениях и может стать источником вторичного загрязнения. Соединения тяжелых металлов сравнительно быстро распространяются по объемам водного объекта. Частично они выпадают в осадок в виде карбонатов, сульфатов, частично адсорбируются на минеральных и органических осадках. В результате содержание тяжелых металлов в отложениях постоянно растет, и когда абсорбционная способность осадков исчерпывается и тяжелые металлы поступают в воду, возникает особо напряженная ситуация. Этому способствует повышение кислотности воды, сильное зарастание водоемов, интенсификация выделения С02 в результате деятельности микроорганизмов.
Значительное загрязнение тяжелыми металлами, особенно свинцом, а также цинком и кадмием обнаружено вблизи автострад. Ширина придорожных аномалий свинца в почве достигает 100 м и более. Тяжелые металлы, поступающие на поверхность почвы, накапливаются в почвенной толще, особенно в верхних гумусовых горизонтах, и медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии. Первый период полуудаления (т.е. удаления половины от начальной концентрации) тяжелых металлов значительно варьируется у различных элементов и занимает весьма продолжительный период времени: для цинка — от 70 до 510 лет; кадмия от 13 до 110 лет, меди — от 310 до 1500 лет, свинца — от 770 до 5900 лет.
Тяжелые металлы способны образовывать сложные комплексные соединения с органическими веществами почвы, поэтому в почвах с высоким содержанием гумуса они менее доступны для поглощения. Избыток влаги в почве способствует переходу тяжелых металлов в низшие степени окисления и в растворимые формы. Анаэробные условия повышают доступность тяжелых металлов растениям. Поэтому дренажные системы, регулирующие водный режим, способствуют преобладанию окисленных форм тяжелых металлов и тем самым снижению их миграционных характеристик.
Растения могут поиюшать из почвы микроэлементы, в том числе тяжелые металлы, аккумулируя их в тканях или на поверхности ли

стьев, являясь таким образом промежуточным звеном в цепи «почва — растение — животное — человек». Различные растения сосредоточивают в себе разное число микроэлементов: в большинстве случаев — избирательно. Так, медь усваивают растения семейства гвоздичных, кобальт — перцы. Высокий коэффициент биологического поглощения цинка характерен для березы карликовой и лишайников, никеля и меди - для вероники и лишайников.
Тяжелые металлы являются протоплазматическими ядами, токсичность которых возрастает по мере увеличения атомной массы. Их токсичность проявляется по-разному. Многие металлы при токсичных уровнях концентраций ингибируют деятельность ферментов (медь, ртуть). Некоторые из них образуют хелатоподобные комплексы с обычными метаболитами, нарушая нормальный обмен веществ (железо). Такие металлы, как кадмий, медь, железо (И), взаимодействуют с клеточными мембранами, изменяя их проницаемость.
Особый интерес представляет изучение животных, являющихся чувствительным индикатором начальных стадий загрязнения тяжелыми металлами. Они аккумулируют элементы в доступных биологически активных формах и отражают фактический уровень загрязнения экосистем. Почвенные животные, особенно сапрофитные группы, благодаря тесной связи с почвенными условиями и ограниченной территорией обитания могут быть хорошими индикаторами химического загрязнения биосферы. Среди животных такими индикаторами могут быть европейский крот, бурый медведь, лось, рыжая полевка. Располагая сведениями о содержании тяжелых металлов у млекопитающих, можно прогнозировать их влияние на организм человека.
Пестициды. Пестициды (от лат. pestis — зараза, caedo — убивать) — средства защиты растений от вредителей и болезней. Ежегодные потери урожая из-за сорняков и вредителей в мире составляют 30— 40%, а убытки достигают 70 млрд долларов в год. В настоящее время используется около 700 химических веществ, на основе которых создается несколько тысяч препаратов пестицидов. Масштабы применения пестицидов впечатляют. В России их применение с 1970 по 1990 г. возросло с 1,5 до 2,3 кг/га площадей угодий, или в среднем на 1 жителя с 0,75 до 1,7 кг. Из 5 млн т пестицидов, ежегодно применяемых в мире, 34% используется в Северной Америке. 45% — в Европе, 21 % — в других регионах. Однако рост применения пестицидов не дает полной гарантии увеличения урожайности. В России за последние 15 лет она заметно снизилась, несмотря на двукратное увеличение применения пестицидов, В США 10-кратное увеличение применения пестицидов дало прирост урожайности с 8% в 1951 г. до 12% в 1980 г. Пестициды распространяются на большие пространства, весьма удаленные от места их применения. Многие из них могут сохраняться в почвах достаточно долго (до 10 лет).
Хлорорганические инсектициды (гексахлоран, ДДТ) обычно слабо растворимы в воде, очень устойчивы ко всем видам разложения и могут сохраняться в почве десятилетиями, аккумулируясь при систематическом применении.
Фосфорорганические инсектициды (карбофос, фосфамид, ами- фос) в почве и других природных средах распадаются довольно быстро. При этом они отличаются эффективностью действия, и их применение перспективно. Широко используются карбамидные инсектициды. Отличаясь высокой токсичностью для определенных видов насекомых, эти препараты почти полностью безвредны для человека.
Пестициды являются единственным загрязнителем, который сознательно вносится человеком в окружающую среду. Пестициды поражают различные компоненты природных экосистем: уменьшают биологическую продуктивность фитоценозов, видовое разнообразие животного мира, снижают численность полезных насекомых и птиц, а в конечном итоге, представляют опасность и для самого человека. В почве они вызывают депрессию процесса естественной нитрификации. Уничтожение пестицидами (в форме гербицидов) травяного покрова многократно увеличивает эрозию почвы. Пестициды существенно подавляют деятельность насекомых — опылителей растений, других организмов, не являющихся мишенями их действия. До 80% пестицидов адсорбируется почвенным гумусом и практически не подвергается биологическому разложению. В результате происходит их постоянная миграция в грунтовые воды и испарение с поверхности почв при их увлажнении и нагреве. Многие виды пестицидов, накапливаясь в почвах, растениях и животных, вызывают заметные изменения в естественных биохимических процессах. Воздействие пестицидов на человека изучено недостаточно. Однако известно, что дефолианты (пестициды, применяемые для уничтожения лиственности) могут вызывать повреждения печени, влиять на наследственность.
Почва является основным приемником и аккумулятором пестицидов, которые накапливаются в ней в результате адсорбции их молекул почвенными коллоидами. Усиленно изучаются судьба пестицидов в почвах и возможности их обезвреживания химическими и биологическими способами. Очень важно создавать и применять препараты с небольшой продолжительностью жизни, измеряемой неделями или месяцами. В этом деле уже достигнуты определенные успехи, испытываются и внедряются в практику новые быстрорастворимые препараты с большой скоростью метаболической деструкции. Однако данная проблема еще не решена окончательно.
В последние годы усилия ученых направлены на изучение экологии и вскрытие механизмов биологического концентрирования пестицидов. Показано, что в тканях и органах рыб, обитающих в воде без планктона, может накапливаться больше пестицидов, чем при наличии планктона, за счет сорбции вещества жабрами. Птицы, питающиеся протравленным зерном, могут накапливать в своем теле такое же количество пестицидов, что и насекомоядные птицы, питающиеся содержащими пестициды членистоногими, червями и другими организмами-концентраторами.
Сельскохозяйственные удобрения — вещества, компенсирующие потери элементов почвы, связанные с ростом растений. Для сохранения почвенной экосистемы на поля следует (в идеале) вносить эквивалентное количество соответствующих элементов. Отсюда успехи сельского хозяйства связали с минеральными удобрениями и ежегодно увеличивают их количество, вносимое в почву. При этом не все удобрения достигают растений — многое теряется, в частности, при вымывании из почвы. Так, 5-кратное увеличение количества применяемых азотных удобрений позволило повысить урожайность зерновых культур только на 20%, а содержание нитратов в почве и в растениях резко возросло. Сельскохозяйственная продукция, содержащая повышенное количество нитратов, имеет пониженную питательную ценность, теряет устойчивость кдлительному хранению. Кроме того, аммиачная форма азотных удобрений увеличивает минерализацию гумуса, что приводит к потере им продуктивных свойств.
Попадание нитратов в организм человека приводит к отравлению гемоглобина крови и, как следствие, к явлениям сердечной недостаточности. В кислой среде организма в результате образования нитрозоаминов возникают канцерогены, которые служат побудителями онкологических заболеваний органов пищеварения.
Другой вид удобрений — фосфорные. Их избыток в почве обогащает фтором и мышьяком растения, что весьма вредно для питающихся ими животных. Значительная доля фосфорных удобрений не усваивается растениями, не вовлекается в биохимический круговорот, а около 5% выносится в водные объекты.
Калийные удобрения (KN03, K2S04, КС1) в силу высокой растворимости в воде в значительной степени вымываются в сопредельные водоемы в периоды, когда заканчивается начальная стадия развития растений и потребность их в калии уменьшается.
Наряду с минеральными удобрениями в сельском хозяйстве широко используют органические удобрения (навоз, торф, компост). При большом количестве в почвах таких удобрений, содержащих много патогенных микроорганизмов, и при обогащении водной среды ими создаются условия для возникновения очагов болезнетворных организмов. Применение в качестве удобрений ила очистных сооружений и компоста после переработки отходов может создавать дополнительные проблемы. В таких удобрениях содержатся высокие концентрации тяжелых металлов и органических загрязнителей. Поэтому их использование возможно главным образом для цветоводства и выращивания декоративных растений.
Поверхностно-активные вещества. Широкое применение синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), или детергентов, особенно в составе моющих средств, обусловливает поступление их со сточными водами во многие водоемы, в том числе в источники хозяйственно-питьевого водоснабжения. В настоящее время эти вещества являются одними из самых распространенных химических загрязнителей водоемов.
СПАВ поступают в водоемы с бытовыми, промышленными и сельскохозяйственными стоками (в сельском хозяйстве поверхностно-активные вещества используют для эмульгирования пестицидов) В подземные воды поверхностно-активные вещества попадают в результате применения почвенных методов очистки сточных вод на биологических полях, при пополнении запасов сточных вод из открытых водоемов и при загрязнении почвы этими веществами.
Поверхностно-активные вещества относятся к экологически жестким веществам. Они очень трудно ассимилируются природной средой и крайне отрицательно влияют на состояние водоемов. Дело в том, что на их окисление расходуется слишком много растворенного кислорода, который таким образом отвлекается от процессов биологического окисления. Детергенты очень вредны для гидроби- онтов. У рыб они вызывают жаберные кровотечения и удушье, а у теплокровных животных нарушают функции биомембран, усиливая тем самым токсическое и канцерогенное влияние других токсикан- юв водной среды. 
<< | >>
Источник: Большаков В.Н., Качак В.В., Коберниченко В.Г.. Экология: Учебник. Изд. 2-е, перераб. п доп. 2005 {original}

Еще по теме Химическое загрязнение:

  1. 4.4. ТЕРРИТОРИАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКОГО И ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСОВ
  2. § 6. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗЕМНОЙ КОРЫ II ЗЕМЛИ
  3. Загрязнение атмосферы и контроль ее качества
  4. Физическое загрязнение
  5. под ред. Л.К.Марининой.. Безопасность труда в химической промышленности : учеб. пособие для студ. высш. учеб, заведений, 2006
  6. Глава 5. ЕСТЕСТВЕННОЕ И АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
  7. Биологическое загрязнение
  8. 13.5. Снова о загрязнении окружающей среды
  9. 4.2. Оценка ущерба от загрязнения окружающей среды
  10. ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ (ст. 251 УК РФ).