Лекция 9. ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ
Загрязнение окружающей среды. Классификация загрязнений. Накопление
загрязняющих веществ в пищевых цепях. Правило биологического усиления
Загрязнение окружающей среды
Загрязнение окружающей среды человеком представляет собой далеко не новую, а одну из самых древних проблем. Она возникла с появлением первых поселений: сточные воды, различные отходы домашнего хозяйства и др. начиная с этого времени стали бичом городов.
Загрязнениемназывают поступление в окружающую природную среду любых твердых, жидких, газообразных веществ, микроорганизмов, энергии (в виде звуковых волн, излучений) в количествах, вредных для здоровья человека, животных, состояния растений и других форм жизни.
Загрязнитель– это вещество, физический фактор, биологический вид, находящиеся в окружающей среде в количестве, выходящем
за пределы их естественного содержания в природе. Иными словами, загрязнитель – это все то, что не в том месте, не в то время, не в том количестве присутствует в окружающей среде.
Любое вещество или фактор может стать загрязнителем при определенных обстоятельствах. Например, катионы натрия необходимы организму для поддержания электролитического равновесия, проведения нервных импульсов, активизации пищеварительных ферментов. Однако в больших количествах соли натрия ядовиты; так, 250 г поваренной соли является летальной дозой для человека.
Классификация загрязнений
Различают природные и антропогенные источники загрязнения. Природное загрязнение связано с деятельностью вулканов, лесными пожарами, селевыми потоками, выходом полиметаллических руд на поверхность земли; выделением газов из недр земли, деятельностью микроорганизмов, растений, животных. Антропогенное загрязнение связано с хозяйственной деятельностью человека.
Источниками антропогенного загрязнения окружающей среды являются предприятия промышленности, энергетики, сельского хозяйства, строительства, транспорта, производства и потребления продуктов питания, использования предметов быта.
Источники техногенных эмиссий (т. е. выбросы, стоки, излучения и т. п.) могут быть организованныеи неорганизованные, стационарныеиподвижные. Организованные источники оборудованы специальными устройствами для направленного вывода эмиссий (труба, вентиляционные шахты, сбросные каналы), эмиссии от неорганизованных источников произвольны. Источники различаются также по геометрическим характеристикам (точечные, линейные, площадные) и по режиму работы – непрерывному, периодическому, залповому.
Источниками химического и теплового загрязнения являются термохимические процессы в энергетике – сжигание топлива и связанные с ним термические и химические процессы. Попутные реакции связаны с содержанием в топливе различных примесей, с окислением азота воздуха и со вторичными реакциями уже в окружающей среде.
Все эти реакции сопровождают работу тепловых станций, промышленных печей, двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных и реактивных двигателей, процессы металлургии, обжига минерального сырья. Наибольший вклад в энергетически зависимое загрязнение среды вносят энергетика и транспорт. В среднем в топливной теплоэнергетике на 1 т условного топлива выбрасывается около 150 кг загрязнителей.
Рассмотрим баланс веществ «среднего» легкового автомобиля при расходе горючего 8 л (6 кг) на 100 км. При оптимальной работе двигателя сжигание 1 кг бензина сопровождается потреблением 13,5 кг воздуха
выбросом 14,5 кг отработанных веществ. В выбросах регистрируются
до 200 соединений. Общая масса загрязнений – в среднем около 270 г
на 1 кг сжигаемого бензина в пересчете на весь объем горючего, потребляемого легковыми автомобилями мира, составит около 340 млн т; для всего автомобильного транспорта – до 400 млн т.
По масштабам загрязнения могут быть местными, локальными, характеризующимися повышенным содержанием загрязняющих веществ на небольших территориях (город, промышленное предприятие); региональными, когда под воздействие попадают большие пространства (бассейн реки, государство); глобальными, когда загрязнение обнаруживается в любой точке планеты (загрязнение биосферы) и космическими (мусор, отработанные ступени космических аппаратов).
Как правило, многие антропогенные загрязнители ничем не отличаются от природных, исключение составляют ксенобиотики, чужеродные для природы вещества. Это произведенные химической промышленностью искусственные и синтетические соединения: полимеры, поверхно-
стно-активные вещества. В природе отсутствуют агенты для их разложения, усвоения, поэтому они накапливаются в окружающей среде.
Различают первичное и вторичное загрязнение. При первичном загрязнении вредные вещества образуются непосредственно в ходе природных или антропогенных процессов. При вторичном загрязнении вредные вещества синтезируются в окружающей среде из первичных; образование вторичных загрязнителей зачастую катализируется солнечным светом (фотохимический процесс). Как правило, вторичные загрязнители токсичнее первичных (из хлора и оксида углерода образуется фосген).
Все виды загрязнения среды можно объединить в группы: химическое, физическое, физико-химическое, биологическое, механическое, информационное и комплексное. Засорение среды материалами, оказывающими неблагоприятное механическое воздействие без физико-химических последствий (мусор), называется механическим загрязнением. Комплексное загрязнение среды – тепловое и информационное, обусловлено совместным действием различных видов загрязнения.
Химическое загрязнение связано с поступлением в окружающую среду химических веществ. Химическое загрязнение представлено разнообразными неорганическими, органическими, органо-минеральными соединениями. Разнообразие устойчивых химических соединений бесконечно велико. В настоящее время установлена химическая структура более шести миллионов химических соединений, причем около двухсот тысяч новых соединений в год синтезируется человеком либо экстрагируется
в огромных концентрациях.
Химия способствовала значительному развитию и подъему благосостояния общества благодаря разнообразному применению огромного числа природных и синтетических веществ (топливо, масла, красители, полимеры, минеральные удобрения, пестициды, пищевые добавки, косметика, лекарства, растворители).
Химическое загрязнение обусловлено токсическим воздействием химических веществ. Токсичностью называется способность различных химических элементов или их соединений оказывать вредное воздействие на микроорганизмы, растения, животных, человека. Понятие токсичность относится не к определенным элементам, а к любым химическим загрязняющим веществам, поступающим в биосферу в высоких концентрациях. Справедливым является утверждение, что нет токсичных веществ, есть токсичные концентрации.
Токсические свойства придают химическому веществу так называемые токсофорные группы: нитрит-, цианид-, сульфид-, галогенид- ионы
и другие. Использование токсичных веществ привело к биодеградации природных экосистем, ухудшению здоровья человека. В качестве примеров можно привести углеводородное топливо, которое при сжигании выделяет канцерогенный бенз(а)пирен. Многие красители обладают канцерогенным эффектом; в том числе термостойкие добавки к маслам – полихлорированные бифенилы (ПХБ). Сжигание высокомолекулярного поливинилхлорида (ПВХ) приводит к появлению самых токсичных антропогенных веществ – диоксинов.
Применение минеральных нитратных удобрений, пестицидов приводит к накоплению в организме токсичных веществ, обладающих канцерогенным эффектом. Широкое применение в различных областях производства фреонов, в том числе в качестве хладоагентов при производстве холодильников, способствовало разрушению озонового слоя Земли.
«Приоритетные» загрязнители:
диоксид серы, образующий сернистую, серную кислоту в кислотных дождях, попадающих на растительность, почву и водоемы;
полициклические ароматические углеводороды, в частности, бенз(а)пирен, обладающие канцерогенным эффектом;
диоксины из класса хлорированных углеводородов;
нефтепродукты, обладающие множественным токсическим эффектом;
пестициды;
оксид углерода (II) и оксид азота;
радиоактивные элементы (стронций-90, цезий-137, йод-131, углерод-14);
тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий и др.), способные накапливаться в трофических цепях и оказывать высокотоксичное действие на живые организмы.
Для характеристики вреда химического вещества используют такие понятия, как предел токсичности и длительность воздействия. В исследованиях на живых организмах строят ряды токсичности веществ. При этом устанавливают максимально разовое и среднесуточное предельно допустимое содержание.
Предельно допустимую концентрацию (ПДК) вещества устанавливают с целью ограждения человека от практически постоянных отрицательных воздействий вредных веществ. Вредные вещества в концентрациях, не превышающих ПДК, не вызывают у человека отравления и не нарушают его нормальной деятельности.
Физическое загрязнение связано с изменением физических параметров среды: температуры (тепловое загрязнение), волновых параметров (световое; шумовое, электромагнитное); радиационных параметров (радиационное и радиоактивное).
Физическое волновое загрязнение среды–под этим общим условным названием объединена группа разнородных физических явлений и воздействий, которые имеют колебательную, волновую природу и исходят от технических источников. Это вибрации, акустические и электромагнитные воздействия, охватывающие диапазон частот от долей герца до миллиона мегагерц. В современной среде обитания человека они приобретают все большее значение и становятся важным фактором.
Под вибрацией понимают малые механические колебания низкой частоты, возникающие в телах под действием переменного физического поля. При оценке вибрационной нагрузки на человека учитывается виброускорение (виброскорость), диапазон частот и время воздействия вибрации. В зависимости от способа передачи на человека вибрацию подразделяют на общую и локальную. Передающийся через руки допустимый
уровень общей вибрации регламентируется в частотном диапазоне от 1
до 63 Гц, локальной вибрации – от 8 до 1 000 Гц.
Вибрация относится к вредным факторам, обладающим большим биологическим эффектом. К основным источникам вибрации в окружающей среде относят рельсовый транспорт, инженерное оснащение зданий (лифты, компрессоры, холодильные установки), тяжелые грузовые и строительные машины, технологическое оборудование ударного действия.
Акустическое воздействие. С физической точки зрения, шум представляет собой неупорядоченное сочетание звуков различной частоты и интенсивности; характеризуется звуковым давлением, интенсивностью звука и частотным диапазоном. Колебания с частотой менее 16 Гц называют инфразвуком, выше 20 кГц – ультразвуком. Неслышимый инфразвук может вредно воздействовать на организм человека, особенно на его психическое состояние. По санитарным нормам уровень инфразвука на территории жилой застройки не должен превышать 90 дБ.
Электромагнитные воздействия.Природные электромагнитные поля (ЭМП) состоят в основном из магнитной компоненты, формируемой за счет действия Земли как постоянного магнита, и компонент, которые связаны с влиянием солнечной активности и атмосферных бурь. Во время ударов молнии о поверхность земли возникают ЭМП с широким частотным спектром (от нескольких герц до нескольких мегагерц) и распространяются на большие расстояния.
Постоянные и электромагнитные антропогенные поля имеют более высокую интенсивность, чем природные поля. Источниками их являются: электризующие поверхности; искусственные магнитные материалы; электромагниты; электролитические технологические процессы; транспортные средства с магнитной подвеской; медицинские установки и пр.
К источникам электромагнитных полей промышленной частоты относятся: линии электропередач (ЛЭП) напряжением до 1 150 кВ; коммутационные аппараты; устройства защиты и автоматики; бытовые приборы; электротранспортные средства; персональные компьютеры.
Источниками электромагнитных полей радиочастотного диапазона являются: мощные телевизионные, радиовещательные, радиолокационные станции; промышленные установки высокочастотного нагрева; различные измерительные, контрольные, лабораторные и бытовые приборы. Электромагнитная энергия излучается через неэкранированные отверстия, щели и неплотности кожухов радиоэлектрической аппаратуры.
Воздействие электростатического поля (ЭСП). Наиболее чувствительны к ЭСП центральная нервная система, сердечно-сосудистая система, анализаторы; при этом возникает раздражительность, головная боль, нарушения сна. Характерны различные «фобии», повышенная эмоциональная возбудимость, быстрая истощаемость, неустойчивость показаний пульса, артериального давления.
Магнитные поля могут быть постоянные, импульсные, инфранизкочастотные (до 50 Гц), переменные. Степень воздействия магнитного поля на человека зависит от его максимальной напряженности. Большую часть спектра неионизирующих электромагнитных излучений (ЭМИ) составляют радиоволны. По характеру воздействия различают общее и местное облучение.
Установлено, что относительная биологическая активность импульсных излучений выше непрерывных. В районе действия электрического поля линий электропередач у насекомых проявляются изменения в поведении: так, у пчел фиксируется повышенная агрессивность, беспокойство, снижение работоспособности, продуктивности; у жуков, комаров, бабочек и других летающих наблюдается изменение направления движения
в сторону с меньшим уровнем поля. У растений появляются аномалии развития – часто меняются формы и размеры цветков, листьев, стеблей, появляются лишние лепестки.
Электромагнитные поля воздействуют, прежде всего, на нервную систему человека. Электромагнитные поля напряженностью свыше
1 000 В/м вызывают головные боли, быструю утомляемость. Относительно низкоэнергетические неионизирующие электромагнитные поля (ЭМП) способны изменять структуру некоторых биомолекул, влияя таким образом на течение различных физиологических процессов. Первоначально незначительные изменения затем усиливаются каскадом биохимических реакций, что приводит к заметным биологическим эффектам.
Экспериментальными работами последних лет выявлены факты разнообразного влияния ЭМП промышленных частот (50–60 Гц) на биологические системы. При этом действие ЭМП прослеживалось на молекулярном, клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях. Постоянные магнитные или низкочастотные ЭМП в состоянии влиять на кровообращение у животных (магнитодинамический эффект), работу сердца, нервную систему (скорость проведения нервного импульса), зрение, поведенческие реакции, рост и регенерацию костей, эмбриогенез.
Радиационное загрязнение.В природе существует радиационный фон, обусловленный рассеянной радиоактивностью земной коры, проникающим космическим излучением, биогенными радионуклидами, который в настоящее время повышен техногенными источниками радиоактивности до 12–14 мкР/ч при среднегодовой эффективной экспозиционной дозе
в 2,5 мЗв. На это повлияли технические источники проникающей радиации (медицинская диагностическая и терапевтическая аппаратура, радиационная дефектоскопия, источники сигнальной индикации; извлекаемые из недр минералы, топливо и вода; ядерные реакции в энергетике и ядерно-топливном цикле; испытания и применение ядерного оружия). Деятельность человека в несколько раз увеличила число присутствующих в среде радионуклидов и на несколько порядков их массу на поверхности планеты.
Главную опасность представляют запасы ядерного оружия, топлива, радиоактивные осадки, которые образовались в результате ядерных взрывов или аварий и утечек в ядерно-топливном цикле – от добычи до обогащения урановой руды и захоронения отходов. США, СССР, Англия, Франция и Китай произвели в надземном пространстве более 400 ядерных взрывов. В атмосферу поступила большая масса сотен различных радионуклидов, которые выпали на всей поверхности планеты. Ядерные катастрофы удвоили их количество. Долгоживущие радиоизотопы (углерод-14, цезий-137, стронций-90) и сегодня продолжают излучать, добавляя 2 %
к фону радиации.
Пока еще трудно говорить о влиянии техногенного превышения естественного фона радиации на биоту экосферы. В России самое крупное из известных скоплений радионуклидов находится на Урале. Деятельность ПО «Маяк» привела к загрязнению Челябинской, Свердловской, Курганской, Тюменской областей. Радиоактивным вюбросом Чернобыльской АЭС в разной степени загрязнено 80 % территории Белоруссии, северная часть Правобережной Украины, 19 областей России. Следы чернобыльских радиоактивных выбросов обнаружены в большинстве стран Европы, а также Японии, на Филиппинах, в Канаде. Точных данных о количестве облученных и полученных дозах нет.
Одна из наиболее острых экологических проблем в стране – проблема радиоактивных отходов. Наиболее сложная технологическая стадия ядерного топливного цикла – переработка отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и захоронение радиоактивных отходов.
Такова природа живого, что каждый биологический объект состоит не только из вещества, но и из волнового поля, неразрывно связанного
с веществом. Это определяет исключительную роль информации-
онно-энергетической оболочки, окружающей человека. В ходе эволюции человеческий организм приспособился к определенному спектру внешних излучений – магнитное поле Земли, инфракрасное солнечное излучение, видимая цветовая гамма и другие полевые воздействия космического и земного происхождения.
Техногенное вторжение привело к деформации полевой среды – слабое магнитное поле Земли не пробивается сквозь электромагнитные поля, создаваемые промышленными источниками; инфракрасный спектр Солнца отражается от мелкодисперсных антропогенных частиц; существенно искажены космические волновые процессы. В результате вносятся искажения в индивидуальную информационно-энергетическую оболочку человека.
Считают, что все изменения в работе организма (негативные или позитивные) начинаются в волновой индивидуальной оболочке, откуда информация о них передается материальному телу, воздействуя и изменяя его. Поэтому в настоящее время все виды физического воздействия на биосферу и на человека рассматривают как фактор особой экологической значимости.
Физико-химическое загрязнение.Формой физико-химического загрязнения является аэрозольное (смог, дым), таким образом, физико-химическое загрязнение обусловлено веществами, находящимися в состоянии аэрозолей, т. е. взвешенными в воздухе мельчайшими твердыми и жидкими частицами.
Размеры аэрозольных частиц колеблются от 0,01 мкм до 1 000 мкм. Аэрозоли бывают природного и антропогенного происхождения. Природными источниками являются вулканы, гейзеры, пыльные бури, лесные пожары. Антропогенное загрязнение окружающей среды аэрозолями началось с использования в качестве горючего каменного угля и другого органического горючего топлива. Сегодня аэрозоли используются в медицине (ингаляции), технике (порошковая металлургия), сельском хозяйстве (распыление пестицидов), военном деле (маскирующие и сигнальные дымы и туманы), быту (дезодоранты, лаки, краски, дезинфицирующие средства).
Влияние аэрозолей на здоровье человека и окружающую среду заметили давно. Пыльная атмосфера снижает количество солнечной энергии, снижая температуру в нижних слоях. Запыленность листьев ограничивает процесс газообмена, тормозит скорость реакции фотосинтеза, снижает урожай. Пылевые частицы могут быть токсичными; это взвешенные частицы пестицидов, удобрений, лака, краски. Заводы по производству БВК, выбрасывая белковую пыль, приводят к заболеваниям астмой в результате наступления бронхоспазмов.
Основной продукт сгорания каменного угля, нефти – сажа – не является токсичной. Сажа становится опасным загрязнителем среды, адсорбируя содержащиеся в воздухе загрязнители, прежде всего ПАУ (полициклические ароматические углеводороды).
Аэрозоли способствуют формированию смогов. Влажный смог (лондонского типа) формируется при сочетании пыли, тумана (аэрозольных частиц воды в воздухе) и диоксида серы. Фотохимический смог (лос-анжелесского типа) формируется из частиц пыли, аэрозольных частиц углеводородов и оксидами азота автомобильных выхлопов, которые под действием ультрафиолетовых лучей в фотохимических реакциях образуют озон. Он действует как сильный окислитель-токсикант. Ледяной (аляскинский) смог состоит из частиц пыли, газообразных загрязнителей, адсорбированных на аэрозольных частицах кристаллов льда (изморози).
Образованию смога благоприятствует солнечная радиация, малая скорость ветра, температурная инверсия, плохо вентилируемая местность (например, котловина).
Биологическое загрязнение связано с внесением в среду и размножением нежелательных для человека организмов, с проникновением или интродукцией в природные системы новых видов. Некоторые загрязнители приобретают ядовитые свойства после попадания в организм в процессе происходящих там химических превращений. Одно и то же вещество или фактор может вызывать множественное действие на организм.
Результат действия загрязнителей на организм человека проявляется различно. Яды действуют на печень, почки, системы кроветворения, крови, органов дыхания. Канцерогенный и мутагенный эффекты – в результате изменения информационных свойств половых и соматических клеток; фиброгенный – появление доброкачественных опухолей (фибром); тератогенный – уродства у родившихся;аллергенный– вызывающий аллергические реакции: поражение кожных покровов (экземы), дыхательных путей (астмы); нейро- и психотропный эффектсвязан с воздействием токсиканта на центральную нервную систему организма человека.
По механизму действия загрязнителя на организм различают:
вещества раздражающего действия, которые изменяют рН слизистой оболочки или раздражают нервные окончания;
вещества или факторы, изменяющие соотношение окислительных и восстановительных реакций в организме;
вещества, необратимо связывающиеся с органическими или неорганическими соединениями, из которых состоят ткани;
жирорастворимые вещества, нарушающие функции биологических мембран;
вещества, замещающие химические элементы или соединения в клетке;
факторы, влияющие на электромагнитные и механические колебательные процессы в организме.