Проблемы загрязнения биосферы и ее экологическое значение - Экология - Скачать бесплатно
Поверхностно активные вещества - жиры,
масла, смазочные материалы - образуют на поверхности воды пленку, которая
препятствует газообмену между водой и атмосферой, что снижает степень
насыщенности воды кислородом. Значительный объем органических веществ,
большинство из которых не свойственно природным водам, сбрасывается в реки
вместе с промышленными и бытовыми стоками.
Количество в мировом стоке загрязняющих веществ, млн.т./год:
1. Нефтепродукты………………………………………….26,563
2. Фенолы…………………………………………………...0,460
3. Отходы производств синтетических волокон………….5,500
4. Растительные органические остатки……………………0,170
5. Всего………………………………………………………33,273
В связи с быстрыми темпами урбанизации и несколько замедленным
строительством очистных сооружений или их неудовлетворительной
эксплуатацией водные бассейны и почва загрязняются бытовыми отходами.
Бытовые отходы опасны не только тем, что являются источником некоторых
болезней человека (брюшной тиф, дизентерия, холера), но и тем, что
требуют для своего разложения много кислорода.
4. Приоритетные загрязнители
4.1 ТЯЖЕЛЛЫЕ МЕТАЛЛЫ
Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам,
наблюдения за которыми обязательны во всех средах.
Термин тяжелые металлы, характеризующий широкую группу загрязняющих
веществ, получил в последнее время значительное распространение. В
различных научных и прикладных работах авторы по-разному трактуют значение
этого понятия. В связи с этим количество элементов, относимых к группе
тяжелых металлов, изменяется в широких пределах. В качестве критериев
принадлежности используются многочисленные характеристики: атомная масса,
плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень
вовлеченности в природные и техногенные циклы. В некоторых случаях под
определение тяжелых металлов попадают элементы, относящиеся к хрупким
(например, висмут) или металлоидам (например, мышьяк).
В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды
и экологического мониторинга, на сегодняшний день к тяжелым металлам
относят более 40 металлов периодической системы Д.И. Менделеева с атомной
массой свыше 50 атомных единиц: V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn,
Hg, Pb, Bi и др. При этом немаловажную роль в категорировании тяжелых
металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых
организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к
биоаккумуляции и биомагнификации. Практически все металлы, попадающие под
это определение (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута,
биологическая роль которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют
в биологических процессах, входят в состав многих ферментов. По
классификации Н.Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью
более 8 г/см3. Таким образом, к тяжелым металлам относятся Pb, Cu, Zn, Ni,
Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg.
Формально определению тяжелые металлы соответствует большое количество
элементов. Однако, по мнению исследователей, занятых практической
деятельностью, связанной с организацией наблюдений за состоянием и
загрязнением окружающей среды, соединения этих элементов далеко не
равнозначны как загрязняющие вещества. Поэтому во многих работах происходит
сужение рамок группы тяжелых металлов, в соответствии с критериями
приоритетности, обусловленными направлением и спецификой работ. Так, в
ставших уже классическими работах Ю.А. Израэля в
перечне химических веществ, подлежащих определению в природных средах на
фоновых станциях в биосферных заповедниках, в разделе тяжелые металлы
поименованы Pb, Hg, Cd, As. С другой стороны, согласно решению Целевой
группы по выбросам тяжелых металлов, работающей под эгидой Европейской
Экономической Комиссии ООН и занимающейся сбором и анализом информации о
выбросах загрязняющих веществ в европейских странах, только Zn, As, Se и Sb
были отнесены к тяжелым металлам. По определению Н. Реймерса отдельно от
тяжелых металлов стоят благородные и редкие металлы, соответственно,
остаются только Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. В прикладных
работах к числу тяжелых металлов чаще всего добавляют Pt, Ag, W, Fe, Au,
Mn.
Ионы металлов являются непременными компонентами природных водоемов. В
зависимости от условий среды (pH, окислительно-восстановительный потенциал,
наличие лигандов) они существуют в разных степенях окисления и входят в
состав разнообразных неорганических и металлорганических соединений,
которые могут быть истинно растворенными, коллоидно-дисперсными или входить
в состав минеральных и органических взвесей.
Истинно растворенные формы металлов, в свою очередь, весьма
разнообразны, что связано с процессами гидролиза, гидролитической
полимеризации (образованием полиядерных гидроксокомплексов) и
комплексообразования с различными лигандами. Соответственно, как
каталитические свойства металлов, так и доступность для водных
микроорганизмов зависят от форм существования их в водной экосистеме.
Многие металлы образуют довольно прочные комплексы с органикой; эти
комплексы являются одной из важнейших форм миграции элементов в природных
водах. Большинство органических комплексов образуются по хелатному циклу и
являются устойчивыми. Комплексы, образуемые почвенными кислотами с солями
железа, алюминия, титана, урана, ванадия, меди, молибдена и других тяжелых
металлов, относительно хорошо растворимы в условиях нейтральной,
слабокислой и слабощелочной сред. Поэтому металлорганические комплексы
способны мигрировать в природных водах на весьма значительные расстояния.
Особенно важно это для маломинерализованных и в первую очередь
поверхностных вод, в которых образование других комплексов невозможно.
Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла в
природных водах, их химическую реакционную способность, биологическую
доступность и токсичность, необходимо знать не только валовое содержание,
но и долю свободных и связанных форм металла.
Переход металлов в водной среде в металлокомплексную форму имеет три
следствия:
1. Может происходить увеличение суммарной концентрации ионов металла за
счет перехода его в раствор из донных отложений;
2. Мембранная проницаемость комплексных ионов может существенно отличаться
от проницаемости гидратированных ионов;
3. Токсичность металла в результате комплексообразования может сильно
измениться.
Так, хелатные формы Cu, Cd, Hg менее токсичны, нежели свободные ионы.
Для понимания факторов, которые регулируют концентрацию металла в природных
водах, их химическую реакционную способность, биологическую доступность и
токсичность, необходимо знать не только валовое содержание, но и долю
связанных и свободных форм. Источниками загрязнения вод тяжелыми металлами
служат сточные воды гальванических цехов, предприятий горнодобывающей,
черной и цветной металлургии, машиностроительных заводов. Тяжелые металлы
входят в состав удобрений и пестицидов и могут попадать в водоемы вместе со
стоком с сельскохозяйственных угодий. Повышение концентрации тяжелых
металлов в природных водах часто связано с другими видами загрязнения,
например, с закислением. Выпадение кислотных осадков способствует снижению
значения рН и переходу металлов из сорбированного на минеральных и
органических веществах состояния в свободное. Прежде всего представляют
интерес те металлы, которые в наибольшей степени загрязняют атмосферу ввиду
использования их в значительных объемах в производственной деятельности и в
результате накопления во внешней среде представляют серьезную опасность с
точки зрения их биологической активности и токсических свойств. К ним
относят свинец, ртуть, кадмий, цинк, висмут, кобальт, никель, медь, олово,
сурьму, ванадий, марганец, хром, молибден и мышьяк.
Биогеохимические свойства тяжелых металлов
|Свойство |.Cd. |.Co.|.Cu.|.Hg.|.Ni.|.Pb.|.Zn .|
|Биохимическая активность |В |В |В |В |В |В |В |
|Токсичность |В |У |У |В |У |В |У |
|Канцерогенность |— |В |— |— |В |— |— |
|Обогащение аэрозолей |В |Н |В |В |Н |В |В |
|Минеральная форма |В |В |Н |В |Н |В |Н |
|распространения | | | | | | | |
|Органическая форма |В |В |В |В |В |В |В |
|распространения | | | | | | | |
|Подвижность |В |Н |У |В |Н |В |У |
|Тенденция к |В |В |У |В |В |В |У |
|биоконцентрированию | | | | | | | |
|Эффективность накопления |В |У |В |В |У |В |В |
|Комплексообразующая |У |Н |В |У |Н |Н |В |
|способность | | | | | | | |
|Склонность к гидролизу |У |Н |В |У |У |У |В |
|Растворимость соединений |В |Н |В |В |Н |В |В |
|Время жизни |В |В |В |Н |В |Н |В |
В — высокая, У — умеренная, Н — низкая
4.2 СВИНЦОВАЯ ИНТОКСИКАЦИЯ
В настоящее время свинец занимает первое место среди причин
промышленных отравлений. Это вызвано широким применением его в различных
отраслях промышленности. Воздействию свинца подвергаются рабочие,
добывающие свинцовую руду, на свинцово-плавильных заводах, в производстве
аккумуляторов, при пайке, в типографиях, при изготовлении хрустального
стекла или керамических изделий, этилированного бензина, свинцовых красок и
др. Загрязнение свинцом атмосферного воздуха, почвы и воды в окрестности
таких производств, а также вблизи крупных автомобильных дорог создает
угрозу поражения свинцом населения, проживающего в этих районах, и, прежде
всего детей, которые более чувствительны к воздействию тяжелых металлов.
С сожалением надо отметить, что в России отсутствует
государственная политика по правовому, нормативному и экономическому
регулированию влияния свинца на состояние окружающей среды и здоровье
населения, по снижению выбросов (сбросов, отходов) свинца и его соединений
в окружающую среду, полному прекращению производства свинецсодержащих
бензинов.
Вследствие чрезвычайно неудовлетворительной просветительной работы
по разъяснению населению степени опасности воздействия тяжелых металлов на
организм человека, в России не снижается, а постепенно увеличивается
численность контингентов, имеющих профессиональный контакт со свинцом.
Случаи свинцовой хронической интоксикации зафиксированы в 14 отраслях
промышленности России. Ведущими являются электротехническая промышленность
(производство аккумуляторов), приборостроение, полиграфия и цветная
металлургия, в них интоксикация обусловлена превышением в 20 и более раз
предельно допустимой концентрации (ПДК) свинца в воздухе рабочей зоны.
Значительным источником свинца являются автомобильные выхлопные
газы, так как половина России все еще использует этилированный бензин.
Однако металлургические заводы, в частности медеплавильные, остаются
главным источником загрязнений окружающей среды. И здесь есть свои лидеры.
На территории Свердловской области находятся 3 самых крупных источника
выбросов свинца в стране: в городах Красноуральск, Кировоград и Ревда.
Дымовые трубы Красноуральского медеплавильного завода, построенного еще
в годы сталинской индустриализации и использующего оборудование 1932 года,
ежегодно извергают на 34-тысячный город 150 -170 тонн свинца, покрывая все
свинцовой пылью.
Концентрация свинца в почве Красноуральска варьируется от 42,9 до 790,8
мг/кг при предельно допустимой концентрации ПДК=130 мк/кг. Пробы воды в
водопроводе соседнего пос. Октябрьский, питаемого подземным водоисточником,
фиксировали превышение ПДК до двух раз.
Загрязнение окружающей среды свинцом оказывает влияние на
состояние здоровья людей. Воздействие свинца нарушает женскую и мужскую
репродуктивную систему. Для женщин беременных и детородного возраста
повышенные уровни свинца в крови представляют особую опасность, так как под
действием свинца нарушается менструальная функция, чаще бывают
преждевременные роды, выкидыши и смерть плода вследствие проникновения
свинца через плацентарный барьер. У новорожденных детей высока смертность.
Отравление свинцом чрезвычайно опасно для маленьких детей - он
действует на развитие мозга и нервной системы. Проведенное тестирование 165
красноуральских детей от 4 лет выявило существенную задержку психического
развития у 75,7%, а у 6,8% обследованных детей обнаружена умственная
отсталость, включая олигофрению.
Дети дошкольного возраста наиболее восприимчивы к вредному
воздействию свинца, поскольку их нервная система находится в стадии
формирования. Даже при низких дозах свинцовое отравление вызывает снижение
интеллектуального развития, внимания и умения сосредоточиться, отставание в
чтении, ведет к развитию агрессивности, гиперактивности и другим проблемам
в поведении ребенка. Эти отклонения в развитии могут носить длительный
характер и быть необратимыми. Низкий вес при рождении, отставание в росте и
потеря слуха также являются результатом свинцового отравления. Высокие дозы
интоксикации ведут к умственной отсталости, вызывают кому, конвульсии и
смерть.
Белая книга, опубликованная российскими специалистами, сообщает,
что свинцовое загрязнение покрывает всю страну и является одним из
многочисленных экологических бедствий в бывшем Советском Союзе, которые
стали известны в последние годы. Большая часть территории России испытывает
нагрузку от выпадения свинца, превышающую критическую для нормального
функционирования экосистемы. В десятках городов отмечается превышение
концентраций свинца в воздухе и почве выше величин, соответствующих ПДК.
Наибольший уровень загрязнения воздуха свинцом, превышающий ПДК,
отмечался в городах Комсомольск-на-Амуре, Тобольск, Тюмень, Карабаш,
Владимир, Владивосток.
Максимальные нагрузки выпадения свинца, ведущие к деградации наземных
экосистем, наблюдаются в Московской, Владимирской, Нижегородской,
Рязанской, Тульской, Ростовской и Ленинградской областях.
Стационарные источники ответственны за сброс более 50 тонн свинца
в виде различных соединений в водные объекты. При этом 7 аккумуляторных
заводов сбрасывают ежегодно 35 тонн свинца через канализационную систему.
Анализ распределения сбросов свинца в водные объекты на территории России
показывает, что по этому виду нагрузки лидируют Ленинградская, Ярославская,
Пермская, Самарская, Пензенская и Орловская области.
В стране необходимы срочные меры по снижению свинцового загрязнения,
однако пока экономический кризис России затмевает экологические проблемы. В
затянувшейся промышленной депрессии Россия испытывает недостаток средств
для ликвидации прежних загрязнений, но если экономика начнет
восстанавливаться, а заводы вернутся к работе, загрязнение может только
усилиться.
10 наиболее загрязненных городов бывшего СССР
(Металлы приведены в порядке убывания уровня приоритетности для данного
города)
|1. Рудная Пристань (Примор. край)|свинец, цинк, медь, марганец+ванадий,|
| |марганец. |
|2. Белово (Кемеровская область) |цинк, свинец, медь, никель. |
|3. Ревда (Свердловская область) |медь, цинк, свинец. |
|4. Магнитогорск |никель, цинк, свинец. |
|5. Глубокое (Белоруссия) |медь, свинец, цинк. |
|6. Усть-Каменогорск (Казахстан) |цинк, медь, никель. |
|7. Дальнегорск |свинец, цинк. |
|(Приморский край) | |
|8. Мончегорск (Мурманская обл.) |никель. |
|9. Алаверди (Армения) |медь, никель, свинец. |
|10. Константиновка (Украина) |свинец, ртуть. |
3. КИСЛОТНЫЕ ДОЖДИ
Термином "кислотные дожди" называют все виды метеорологических осадков
- дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, - рН которых меньше, чем
среднее значение рН дождевой воды (средний рН для дождевой воды равняется
5.6). Выделяющиеся в процессе человеческой деятельности двуокись серы (SO2)
и окислы азота (NОx) трансформируются в атмосфере земли в кислотообразующие
частицы. Эти частицы вступают в реакцию с водой атмосферы, превращая ее в
растворы кислот, которые и понижают рН дождевой воды. Впервые термин
«кислотный дождь» был введен в 1872 году английским исследователем Ангусом
Смитом. Его внимание привлек викторианский смог в Манчестере. И хотя ученые
того времени отвергли теорию о существовании кислотных дождей, сегодня уже
никто не сомневается, что кислотные дожди являются одной из причин гибели
жизни в водоемах, лесов, урожаев, и растительности. Кроме того, кислотные
дожди разрушают здания и памятники культуры, трубопроводы, приводят в
негодность автомобили, понижают плодородие почв и могут приводить к
просачиванию токсичных металлов в водоносные слои почвы.
Вода обычного дождя тоже представляет собой слабокислый раствор. Это
происходит вследствие того, что природные вещества атмосферы, такие как
двуокись углерода (СО2), вступают в реакцию с дождевой водой. При этом
образуется слабая угольная кислота (CO2 + H2O —> H2CO3). [5, с. 423-424]
Тогда как в идеале рН дождевой воды равняется 5.6-5.7, в реальной жизни
показатель кислотности (рН) дождевой воды в одной местности может
отличаться от показателя кислотности дождевой воды в другой местности. Это,
прежде всего, зависит от состава газов, содержащихся в атмосфере той или
иной местности, таких как оксид серы и оксиды азота.
В 1883 году шведский ученый Сванте Аррениус ввел в обращение два
термина - кислота и основание. Он назвал кислотами вещества, которые при
растворении в воде образуют свободные положительно заряженные ионы водорода
(Н+). Основаниями он назвал вещества, которые при растворении в воде
образуют свободные отрицательно заряженные гидроксид-ионы (ОН-). Термин рН
используют в качестве показателя кислотности воды. "Термин рН значит в
переводе с английского "показатель степени концентрации ионов водорода".
[5, с. 428]
Значение рН измеряется на шкале от 0 до 14. В воде и водных растворах
присутствуют как ионы водорода(Н+), так и гидроксид-ионы (ОН-). Когда
концентрация ионов водорода (Н+) в воде или растворе равна концентрации
гидроксид-ионов (ОН-) в том же растворе, то такой раствор является
нейтральным. Значение рН нейтрального раствора равняются 7 (на шкале от 0
до 14). Как вы уже знаете, при растворении кислот в воде повышается
концентрация свободных ионов водорода (Н+). Они то и повышают кислотность
воды или, иными словами, рН воды. При этом, с повышением концентрации ионов
водорода (Н+) понижается концентрация гидроксид-ионов (ОН-). Те растворы,
значение рН которых на приведенной шкале находится в пределах от 0 до <7,
называются кислыми. Когда в воду попадают щелочи, то в воде повышается
концентрация гидроксид-ионов (ОН-). При этом в растворе понижается
концентрация ионов водорода (Н+). Растворы, значение рН которых находится в
пределах от >7 до 14, называются щелочными.
Следует обратить внимание еще на одну особенность шкалы рН. Каждая
последующая ступенька на шкале рН говорит о десятикратном уменьшении
концентрации ионов водорода (Н+) (и, соответственно, кислотности) в
растворе и увеличении концентрации гидроксид-ионов (ОН-). Например,
кислотность вещества со значением рН4 в десять раз выше кислотности
вещества со значением рН5, в сто раз выше, чем кислотность вещества со
значением рН6 и в сто тысяч раз выше, чем кислотность вещества со значением
рН9.
Кислотный дождь образуется в результате реакции между водой и такими
загрязняющими веществами, как оксид серы (SO2) и различными оксидами азота
(NOх). Эти вещества выбрасываются в атмосферу автомобильным транспортом, в
результате деятельности металлургических предприятий и электростанций, а
также при сжигании угля и древесины. Вступая в реакцию с водой атмосферы,
они превращаются в растворы кислот - серной, сернистой, азотистой и
азотной. Затем, вместе со снегом или дождем, они выпадают на землю.
Последствия выпадения кислотных дождей наблюдаются в США, Германии,
Чехии, Словакии, Нидерландах, Швейцарии, Австралии, республиках бывшей
Югославии и еще во многих странах земного шара.
Кислотный дождь оказывает отрицательное воздействие на водоемы - озера,
реки, заливы, пруды - повышая их кислотность до такого уровня, что в них
погибает флора и фауна. Водяные растения лучше всего растут в воде со
значениями рН между 7 и 9.2. С увеличением кислотности (показатели рН
удаляются влево от точки отсчета 7) водяные растения начинают погибать,
лишая других животных водоема пищи. При кислотности рН6 погибают
пресноводные креветки. Когда кислотность повышается до рН5.5, погибают
донные бактерии, которые разлагают органические вещества и листья, и
органический мусор начинает скапливаться на дне. Затем гибнет планктон -
крошечное животное, которое составляет основу пищевой цепи водоема и
питается веществами, образующимися при разложении бактериями органических
веществ. Когда кислотность достигает рН 4.5, погибает вся рыба, большинство
лягушек и насекомых.
По мере накопления органических веществ на дне водоемов из них начинают
выщелачиваться токсичные металлы. Повышенная кислотность воды способствует
более высокой растворимости таких опасных металлов, как алюминий, кадмий,
ртуть и свинец из донных отложений и почв.
Эти токсичные металлы представляют опасность для здоровья человека.
Люди, пьющие воду с высоким содержанием свинца или принимающие в пищу рыбу
с высоким содержанием ртути, могут приобрести серьезные заболевания.
Кислотный дождь наносит вред не только водной флоре и фауне. Он также
уничтожает растительность на суше. Ученые считают, что хотя до сегодняшнего
дня механизм до конца еще не изучен, "сложная смесь загрязняющих веществ,
включающая кислотные осадки, озон, и тяжелые металлы...в совокупности
приводят к деградации лесов.
Экономические потери от кислотных дождей в США, по оценкам одного
исследования, составляют ежегодно на восточном побережье
|
