Экологические опасности

Экологические системы и их состояния.

В начале 60-х гг. прошлого столетия человечество впервые стало осознавать серьезность встающих перед ним экологических проблем. Реальностью стали глобальное потепление климата, возникновение озоновых дыр над полюсами, распространение токсикантов и загрязнение воды, воздуха, почв, продуктов питания вредными химическими веществами, вымирание многих видов животных и растений, снижение биоразнообразия в результате деятельности растущего народонаселения планеты.

Сегодня скорость увеличения вредного воздействия средовых факторов и интенсивность их влияния уже выходит за пределы биологический приспособленности экосистем к изменениям среды обитания и создает прямую угрозу жизни и здоровью населения. В современных условиях нестабильной социально-экономической обстановки эти тенденции особо негативно проявляются в нашей стране.

Принципиальный недостаток развиваемых до последнего времени технологий заключается в том, что они приводят к нарушению круговорота веществ в биосфере, при которой природные ресурсы превращаются в загрязнители окружающей среды. Если очистительная способность окружающей природной среды недостаточная для нейтрализации загрязнений, то они негативно влияют на здоровье людей, технологические процессы в производстве и на возобновляемые природные ресурсы.

При этом невозобновляемые ресурсы растрачиваются нерационально и в конечном итоге истощаются. Используя показатели темпов самовосстановления природных систем (если самовосстановление возможно) и качественно-количественного состояния биомассы и биологической продуктивности экосистем, можно выделить следующие градации:

1) Естественное состояние – наблюдается лишь фоновое антропогенное воздействие, биомасса максимальна, биологическая активность минимальна.

2) Равновесное состояние – скорость восстановления процессов выше или равна темпу нарушений, биологическая продуктивность больше естественной, биомасса начинает снижаться.

3) Кризисное состояние – антропогенные нарушения превышают по скорости естественно-восстановительные процессы, но сохраняется естественный характер экосистем биомасса снижена, биологическая продуктивность резко повышена.

4) Критическое состояние – обратимая замена прежде существовавших экологических систем под антропогенным воздействием на менее продуктивные (частичное опустынивание), биомасса мала и, как правило, снижается.

5) Катастрофическое состояние – труднообратимый процесс закрепления малопродуктивных экосистем (сильное опустынивание), биомасса и биологическая продуктивность минимальны.

6) Состояние коллапса – необратимая утеря биологической продуктивности, биомасса стремится к нулю.

Помимо природно-экологической классификации угасания природы, рассматривается также медико-социальная шкала, так как учитываются не только изменения в биосфере, но и то, как они влияют на здоровье человека. Существуют четыре градации, учитывающие классификацию изменений природы.

- Благополучная ситуация – происходит устойчивый рост продолжительности жизни, заболеваемость снижается.

- Зона напряженной экологической ситуации (экологически проблемная зона): ареал, в пределах которого наблюдается переход состояния природы от кризисного к критическому и территория, где отдельные показатели здоровья населения (заболеваемость детей, взрослых, психологических отклонений и т. п.) достоверно выше нормы, существующей в аналогичных местах страны, не подверженной выраженному антропогенному воздействию данного типа, но, это не приводит к заметным и статистически достоверным изменениям продолжительности жизни населения и более ранней инвалидности людей, профессионально не связанных с источником воздействия.

- Зона экологического бедствия: ареал, в пределах которого наблюдается переход от критического состояния окружающей среды к катастрофическому и территория, в пределах которой в результате антропогенного (реже – природного) воздействия невозможна социально-экономически оправданное (традиционно или научно рекомендованное) хозяйство; показатели здоровья населения (детская смертность, заболевания детей и взрослых, психические отклонения и т. п.), частота и скорость наступления инвалидности достоверно выше, а продолжительность жизни людей заметно и достоверно ниже, чем на аналогичных территориях, не подвергшихся подобным воздействиям или бывших в том же ареале до констатации рассматриваемых воздействий. Сопряженные изменения в показателях здоровья и смертности населения должны быть выше, чем естественно наблюдаемые колебания в пределах существующей в данном (или аналогичном) районе нормы (сейчас или в прошлом).

- Зона экологической катастрофы – переход от катастрофической фазы к коллапсу, что делает территорию непригодной для жизни человека (некоторые районы Приаралья и Сахеля).

Возникший в результате природных или антропогенных воздействий ареал, смертельно опасен для постоянной жизни людей (человек может находиться там лишь короткое время), например зона Чернобыльской катастрофы; ареал разрушительной природной катастрофы (мощного цунами). Еще раз необходимо напомнить о возможности и предпочтительности расчетных показателей. Целесообразно выделение зон потенциально напряженной экологической ситуации, экологического бедствия и такой же катастрофы.

Источники экологических опасностей.

Люди, стремясь к удовлетворению своих потребностей, создают новые вещества, производят огромное количество материалов, технических устройств, предметов бытового назначения. Как правило, эти искусственные предметы, химические вещества, различные отходы обладают особыми характеристиками, не совместимыми с экологическими системами и характеристиками самого человека. Они имеют конечный срок полезного использования, не разлагаются или разлагаются очень медленно, загрязняют атмосферу, гидросферу, почву, непосредственно или косвенно оказывают отрицательное влияние на людей.

В настоящее время науке известно более 10 млн. органических соединений. Около 100 000 из них используется довольно широко, и более 1000 добавляется к их списку каждый год. На долю 1500 из них приходится 95% мирового производства. При накладке друг на друга их действие, как правило, не суммируется, а усиливается. Загрязнения распространяются на многие биологические виды и места обитания так, что невозможно проследить многочисленные экологические последствия их использования. Чтобы оценить даже простейшие экологические эффекты, требуется более 10 тыс. долларов, а стоимость всестороннего исследования увеличивается в десятки и сотни раз.

Вещества и предметы искусственного происхождения, которые вредят естественной среде и человеку называют ксенобиотиками (от греч. “xenos” – чужой и “bios” – жизнь).

Долговременная опасность ксенобиотиков заключается в том, что они из рассеянного состояния концентрируются в биомассе, включая ту, что служит пищей человеку. Различают два механизма концентрирования:

1. Первый основан на том, что организмы избирательно поглощают вещества из окружающей среды (растения из воздуха и почвенного раствора)

2. Второй основан на концентрации веществ по пищевым цепям. Наибольшей опасности подвергаются те популяции, которые «замыкают» пищевую цепь, так как во многих случаях концентрация ксенобиотика (в расчете на биомассу) увеличивается на порядок с продвижением на одно звено. Концентрация ксенобиотиков приводит к вымиранию некоторых популяций, упрощения биоценозов с потерей их устойчивости, а в некоторых случаях представляет прямую угрозу для человека. Во избежание подобной угрозы увеличивают коэффициент безопасности в 104 раза по отношению к нормам установленным на основе представлений о пассивном разбавлении ксенобиотиков.

Тяжелые металлы.

Среди химических веществ, загрязняющих внешнюю среду (воздух, воду, почву), тяжелые металлы и их соединения образуют значительную группу веществ, оказывающих существенное негативное воздействие на человека. Высокая токсичность и опасность для здоровья тяжелых металлом, возможность их рассеивания в окружающей среде диктуют необходимость контроля и разработки мер защиты от них.

Опасность тяжелых металлов обусловлена их устойчивостью во внешней среде, растворимостью в воде, сорбцией почвой, растениями, что в совокупности приводит к накоплению тяжелых металлов в среде обитания человека. Тяжелые металлы являются факторами риска сердечно-сосудистых заболеваний наряду с общепризнанными, традиционными факторами (избыточной массой тела, гиподинамией, нервно-эмоциональными нагрузками, курение, злоупотреблением алкоголя и т. д.)

К тяжелым металлам относят более сорока химических элементов, самые опасные среди них: ртуть, свинец, кадмий, кобальт, никель, олово, сурьма, медь, молибден, ванадий, мышьяк. их поступление в биосферу вследствие техногенного процесса осуществляется разнообразными путями: выброс при высокотемпературных процессах (черная и цветная металлургия, обжиг цементного сырья, сжигание минерального топлива), орошение водами с повышенным содержанием тяжелых металлов, внесение осадков бытовых сточных вод в почвы в качестве удобрения, вторичное загрязнение вследствие выноса тяжелых металлов из отвалов рудников или металлургических предприятий водными или воздушными потоками, поступление больших количеств тяжелых металлов при постоянном внесении высоких доз органических или минеральных удобрений и пестицидов, содержащих тяжелые металлы.

Пестициды.

Пестициды – ядохимикаты, химические препараты для защиты сельскохозяйственных растений от вредителей, болезней и сорняков, уничтожения паразитов сельско-хозяйственных животных, вредных грызунов и др.; средства привлекающие или отпугивающие насекомых, регулирующие рост и развитие растений, применяемые для удаления листьев, цветов, завязей и др.

Дефолианты – химические вещества (бутифос, бутилкаптакс, тидрел, пуривел, хлорад магния, диоксин и др.) предназначенные для провоцирования искусственного опадения листвы растений (например, для облегчения механизированной уборки хлопка); представляет серьезную угрозу для человека и животных.

Зооциды – химические вещества предназначенные для вредных, преимущественно позвоночных, животных – грызунов (родентициды), в частности мышей и крыс (ратициды), а также птиц (авициды), сорной рыбы (ихтиоциды) и др.

Арборициды – химические вещества, предназначенные для уничтожения нежелательной древесной или кустарниковой растительности.

Аркациды – химические вещества, предназначенные для уничтожения вредных клещей.

Различают два вида аркацидов:

1) Специфического действия – уничтожают только клещей и безвредны для других членистоногих (неорон, кельтан, тедион, эфирсуль)

2) Неспецифические – уничтожают не только клещей, но и других насекомых (инсектоаркациды)

Инсектициды – пестициды предназначенные для борьбы с нежелательными (с точки зрения человека) в хозяйственных и природных сообществах насекомыми.

Фунгициды – химические вещества, предназначенные для борьбы с грибами – возбудителями болезней, разрушающих древесные конструкции и повреждающих хранящиеся материальные ценности.

Детергенты (СПАВ) – химические вещества существенно понижающие поверхностное натяжение воды и используемые в качестве моющего эмульгатора. Детергенты – широко распространенные, опасные для человека, животных и растений загрязнители воды, водоемов и почв.

Пестициды применяются в различных формах: растворы, суспензии, аэрозоли, пены, газы, пары, пыль, порошки, гранулы, пасты, капсулы. С воздушными массами они могут переноситься на большие расстояния и вызывать загрязнения окружающей среды там, где пестициды вообще не использовались или применялись, но в существенно меньших количествах. Все пестициды являются опасными не только для определенной формы жизни, но и для полезных насекомых, микроорганизмов, животных, птиц и человека. В идеальном случае, пестицид оказав требуемое действие на вредителя, должен сразу разрушиться и образовать безвредные продукты разложения. Однако, большинство пестицидов представляют собой устойчивые, трудноразлагаемые соединения, у которых непосредственно используется 4-5% внесенного количества, а остальная масса рассеивается в агроэкосистеме, попадая в почву, растения и другие компоненты окружающей среды, что создает сложные экологические проблемы. При внесении в почву, пестициды подвергаются многочисленным биотическиго и небиотического характера. Под устойчивостью пестицида понимают его способность определенное время сохраняться в почвах, измеряемую периодом полураспада, то есть временем, необходимым для разрушения 50% внесенного в почву пестицида. Характер и скорость разложения зависят от химической природы препарата, а также от водно-физических характеристик и химического состояния почвы.

Диоксины.

В большую группу диоксинов и диоксиподобных соединений входят как сами полихлорированные дибен-зордиоксины (ПХДД) и дибензофураны (ПХДФ), которые по своей химической структуре являются три-циклическими ароматическими соединениями, так и полихлорированные бифенилы (ПХБ), поливинилхлорид (ПВХ) и ряд других веществ, содержащих в своей молекуле атом хлора). Это чужеродные живым организмам соединения, попадающие в окружающую среду с продукцией или отходами многих технологий. Диоксины уже найдены везде – в воздухе, почве, донных отложениях, рыбе, молоке (в том числе и грудном), овощах и т.д. Они обладают чрезвычайно высокой устойчивостью к химическому и биологическому разложению, способны сохраняться в окружающей среде в течение десятков лет, переноситься по пищевым цепям; супертоксиканты – универсальные клеточные яды, поражающие все живое.

Диоксины не производятся промышленно, но они возникают в процессе производств других химических веществ в виде примесей (синтез гексахлорфенола, хлорированного фенола, гербицидов на основе гексахлорбензола и хлорированных эфиров).

Известен случай вблизи г. Севезо (Италия), где на заводе произошел выброс трихлорфенола, содержащего примерно 2-3 кг ТХДД. Более 2/3 этого количества отложилось на площади в 15 га на расстоянии около 500 м от завода. Период полураспада ТХДД в почве составляет примерно 10-12 лет.

Источником поступления диоксинов в окружающую среду является и нарушение правил захоронения промышленных отходов, в результате чего также происходит сильное загрязнение почв.

К другим источникам диоксинов относятся: термическое разложение технических продуктов, сжигание осадков сточных вод, муниципальных. медицинских и опасных отходов (ПХБ и изделий из ПВХ), металлургическая и металлообрабатывающая промышленность, выхлопные газы автомобилей, целлюлозно-бумажная промышленность, лесные пожары (леса, обработанные хлорфенольными пестицидами), хлорирование питьевой воды и др.

Известное еще с начала XX заболевание, называемое хлоракне, было квалифицировано в 30-е гг. как профессиональная болезнь рабочих хлорных производств. Хлоракне – тяжелая форма угрей, уродующих кожу лица. Заболевание может длиться годами и практически не поддается лечению. пик выброса диоксинов пришелся на 60-70-е гг. XX в., в результате расширения производств отбеленной бумаги, а также веществ и технологий синтеза которых использовался хлор.

У человека описано довольно много признаков и симптомов различных заболеваний, которые можно свести к следующим:

- кожные заболевания – хлоракне, гиперпигментация и др.

- нарушение работы различных физиологических систем – расстройство пищеварения (рвота, тошнота, непереносимость алкоголя и жирной пищи)

- нарушения в сердечно-сосудистой системе

- нарушение работы мочевыводящих путей.

- нарушение работы поджелудочной железы

- неврологические эффекты – головные боли, невропатия, потеря слуха, обоняния, вкусовых ощущений, нарушения зрения

- психические эффекты – нарушения сна, немотивированные приступы гнева.

Сера, фосфор, азот.

Фосфор. При оценке загрязнения биосферы важны техногенные пути их поступления. Значительные количества фосфорных соединений входят в состав моющих средств и с их остатками попадают в сточные воды. Стиральные порошки содержат 10-12% пирофосфата калия или от 4-5 до 40-50% триполифосфата натрия и некоторые другие фосфоросодержащие компоненты. Фосфор также входит в состав некоторых инсектицидов, например хлорофоса. Вместе с промышленными и бытовыми стоками соединения фосфора могут поступать в почвы и почвенно-грунтовые воды.

Азот. В биосфере азот присутствует в газообразной форме, в виде азотной и азотистой кислот, а также входит в состав разнообразных органических соединений. Техногенные выбросы азота в воздушную среду в основном включают оксид азота и его диоксид. Оксиды азота активно участвуют в фотохимических реакциях продуцируя озон и азотную кислоту. В настоящее время большую проблему составляет нарушение толщины озонового слоя, на уменьшение которого могу оказать влияние неполные оксиды азота, вступающие в реакцию окисления от N₂O до NO₂ и использующие кислород озонового слоя. Разрушение озонового экрана связывают с оксидом азота, который служит источником образования других оксидов, катализирующих фотохимическую реакцию разложения молекул озона.

Уровень концентрации нитратов в природных водах повышен в 2 и более раз, Концентрация аммонийного и нитратного азота превышена до токсичных уровней, что может привести к специфическим заболеваниям (например, метгемоглобинемия) у людей и животных. Как правило максимальное количество нитратов обнаруживается в продукции, выращенной на приусадебных участках, а также арендуемых полях и огородах, где внесение удобрений не контролируется. При взаимодействии нитринов и аминов в живых организмах образуются нитрозамины, являющиеся канцерогенами и способные вызывать нарушения хромосомного аппарата и наследственные уродства.

Фосфор и азот сильно влияют на водные системы. Эфтрофирование – ненормальное повышение биологической продуктивности водных объектов и почв – происходит в результате накопления биогенных элементов. В большинстве водных экосистем лимитирующим элементом является фосфор, в меньшей степени азот. В такой экосистеме наблюдается низкая продуктивность, а как следствие чистая вода, обогащенная кислородом. На дне появляется осадок, растительность начинает вторгаться в экосистему с берегов, экосистема «стареет» и «умирает»: водоем мелеет и зарастает. Признаком болезни является появление сине-зеленых или других фотосинтезирующих водорослей, вызывающих цветение воды. Вода в пресноводных водоемах становится непригодной не только для питья, но и для хозяйственных нужд и возникает ряд неразрешимых, пока, проблем. В следствии эфтрофирования некоторые наземные экосистемы также перерождаются: из них исчезают растения, характерные для определенных мест произрастания.

Сера. Диоксид серы составляет 95% всех техногенных выбросов серосодержащих веществ в атмосферу. Сернистый газ, окисляясь и взаимодействуя с водой, выпадает в виде кислых дождей. Осадки подкисляют почву. Из почвенного поглощающего комплекса водород вытесняет обменные основания (Ca₂₄, Mg₂₄)/ Увеличивается фитотоксичность почв за счет увеличения подвижного алюминия. Сера закрепляется в почве в виде алунита KAl₃(OH)₆(SO₄)₂. Часть серы сорбируется фульвоксилотами. Значительно повышается растворимость всех гумусовых веществ, происходит их вымывание из минеральных горизонтов. Резко изменяется состав и функции микробиоты: уменьшается масса бактерий, увеличивается масса грибов, среди них появляются фитопатогенные виды, снижается скорость денитрификации и азотфиксации, снижается численность и активность почвенной фауны. Блокируется цикл азота на стадии аммиака. Подавляется разложение органических остатков. Модергумусные почвы трансформируются в грубогумусные, усиливается процесс подзолообразования.

В итоге всех подобных изменений плодородие почвы сначала несколько повышается за счет покрытия дефицита серы и азота, а затем резко и устойчиво снижается. В сельской местности плодородие почвы можно восстановить известкованием почвы и соответствующей агротехникой с внесением удобрений. В лесном массиве воздушное загрязнение в сочетании с ухудшением почвенных условий приводит не только к падению прироста древесины, но и к усыханию древостоев и дегрессии лесных биогеоценозов.

Фреоны.

Фреоны (хладоны) – группа фторосодержащих (могут также содержать хлор и бром) углеводородов жирного ряда, газы или летучие жидкости. Благодаря своим термодинамическим свойствам фреоны нашли широкое применение на практике как хладоносители в холодильных машинах. При контакте с открытым пламенем фреоны разлагаются с образованием токсичных дифтор- и фторхлорфосгена, устойчивы к действию серной кислоты и концентрированных щелочей, не взаимодействуют с большинством металлов. Фреоны нетоксичны для организма, но их воздействие на окружающую среду может иметь негативные последствия – образование озоновой «дыры».

Фреоны обладают привлекательными физико-химическими свойствами: малотоксичны, просты в использовании, не обладают коррозирующим действием, не образуют взрывоопасных смесей с воздухом, имеют исключительно высокую пламеподавляющую способность. Фреоны применяют в качестве хладогентов, пропеллентов в аэрозольных упаковках косметических средств, как компоненты пожаротушащих составов растворители и т. д.