Тема 3. Химическое загрязнение

План:

1. Аэрозольное загрязнение.

2. Загрязнение химическими веществами.

3. Загрязнение тяжелыми металлами.

4. Загрязнение пестицидами.

5.Загрязнение СПАВ.

Химическое загрязнение - увеличение количества химических компонентов определенной среды, а также проникновение 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 тысяч новых соединений. Многие химические вещества обладают канцерогенными и мутагенными свойствами, среди которых особенно опасны 200 наименований: 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 [1].

Аэрозольные загрязнения. Аэрозоли - это аэродисперсные системы, в которых не определяемо долгое время могут находиться во взвешенном состоянии твердые частицы, капельки жидкости. 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 [4].

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. 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.

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 многокомпонентную 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 пыли 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 стратосферу.

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 (SО₂ 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. 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 пыли 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 пыли 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 СО₂, угарный газ СО, диоксид серы SО₂, метан СН₄, оксиды азота NО₂, NO и N₂О, хлорфторуглероды (при использовании аэрозолей в быту), а также углеводороды, бензапирен и др. (в результате работы транспорта).

Кислотные осадки (дожди) формируются при растворении в воде диоксидов серы и азота. Такие осадки, выпадая на поверхность Земли, имеют показатель кислотности рН < 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 [4].

Время пребывания SО ₂ в атмосфере в среднем составляет около 15 дней. Благодаря своей активности SО ₂ в атмосфере претерпевает ряд химических превращений, главное из них - окисление с образованием H₂SО₄. 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.

Кислотные соединения азота (NO, NО₂) 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 НNО ₃ в атмосфере поглощаются капельной влагой облаков и частицами аэрозоля.

Кислотные осадки антропогенного происхождения заметно изменили рН окружающей среды. Значение рН 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 рН = 6 - 7. Попадая в водные экосистемы, кислотные осадки понижают величину рН, что нередко вызывает гибель рыб, а иногда и животного населения.

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 рН < 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.

Под действием кислотных осадков существенно ускоряется коррозия металлов, нарушается целостность лакокрасочных покрытий, стекол, разрушаются здания, памятники архитектуры. Серная кислота, взаимодействуя с мрамором (СаСО ₃ ), образует СаSО ₄ что приводит к «шелушению» изделий из этого камня.

Быстрыми темпами нарастает в атмосфере содержание двухатомных газов с несимметричной молекулой (СО, НСl и др.), трехатомных газов (Н₂О, СО₂, SО₂) и газов с числом атомов больше трех (NН ₃, СН₄ и др.). Эти газы обусловливают парниковый эффект [3]. 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.), поглощает инфракрасные лучи, благодаря чему происходит ее разогрев. Поэтому парниковые газы можно уподобить стеклянному покрытию в обычных садовых парниках.

Основным по значению парниковым газом являются водяные пары. За ним следуют СО₂, дающий сегодня по сравнению с началом ХХ 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 30⁰С. При его отсутствии средняя температура поверхности Земли, составляющая в настоящее время 15⁰С, понизилась бы до -15⁰С - началось бы глобальное оледенение.

С XVIII в. природное равновесие содержания парниковых газов в атмосфере претерпело серьезные нарушения. За 250 лет содержание 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 СО₂ сначала происходил из-за массовой вырубки лесов, потреблявших углекислый газ на синтез биомассы растений. С начала XIX в. определяющую роль приобретают выбросы СО₂ с продуктами сжигания ископаемого топлива, технологических и попутных газов. Общее выделение СО₂ в результате антропогенной деятельности составляет ежегодно 0, 7% от его естественного содержания в атмосфере. При этом промышленность увеличивает выбросы СО₂ ежегодно на 3, 5%, что сегодня составляет 30 млрд. т/год.

Из антропогенных источников поступления СО₂ в атмосферу наибольший вклад вносят предприятия энергетики и металлургии, транспорт, использующий двигатели внутреннего сгорания. Рост населения планеты и интенсивное разведение домашних животных привели к тому, что биологический вклад (аэробное дыхание, разложение органических остатков) в увеличение концентрации СО₂ в атмосфере стал соизмерим с промышленными выбросами.

Увеличение содержания СО₂ в атмосфере на 60% по сравнению с современным уровнем вызовет повышение температуры земной поверхности на 1, 2-2⁰С. Это значит, что если до 2050 г. потребление ископаемого топлива не сократится, то концентрация СО₂ в атмосфере возрастет вдвое, а температура поверхности Земли увеличится на 3⁰С.

Потепление на Земле, по мнению климатологов, за счет роста температуры на 0, 1⁰С считается значительным, а увеличение температуры на 3, 5⁰С - 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. 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 λ < 310 нм.

Более 99% ультрафиолетового излучения Солнца поглощается слоем озона (О₃) 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 веществами, значительная доля которых техногенного происхождения. Среди них наиболее важная роль принадлежит оксидам азота, а также атомам хлора.

Основными источниками оксидов азота антропогенного происхождения являются двигатели внутреннего сгорания, высокотемпературные энергетические установки, в которых сжигается топливо, ракеты и сверхзвуковые самолеты [6].

Атомарный хлор образуется в результате фотохимического разрушения фреонов (фторхлорметанов): CF₂Cl₂ и СFСl ₃. Эти вещества фреоны - чисто антропогенного происхождения. Они летучи и устойчивы в тропосфере. Их источником являются холодильные установки и аэрозольные баллоны. С момента начала их промышленного применения (в 50-е годы ХХ в.) содержание фреонов в атмосфере увеличивалось на 5-10% в год.

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%).

Тяжелые металлы. Особое значение приобрело загрязнение биосферы группой веществ, 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 [4].

Главным природным источником тяжелых металлов являются породы (магматические и осадочные) и породообразующие минералы. Многие минералы в виде высокодисперсных частиц включаются в качестве микропримесей в массу горных пород. Многие элементы поступают в атмосферу с космической и метеоритной пылью, с вулканическими газами, горячими источниками, газовыми струями.

Поступление тяжелых 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, высоких доз пестицидов.

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 и медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии. Растения поглощают из почвы микроэлементы, в том числе тяжелые металлы, аккумулируя их в тканях или на поверхности листьев, являясь промежуточным звеном в цепи «почва - растение - животное – человек».

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 [3].

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, амифос) 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.

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. 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 к длительному хранению. Кроме того, аммиачная форма азотных удобрений увеличивает минерализацию гумуса, что приводит к потере им продуктивных свойств [3].

Попадание нитратов в организм человека приводит к отравлению гемоглобина крови и, как следствие, к явлениям сердечной недостаточности. В кислой среде организма в результате образования нитрозаминов возникают канцерогены, которые служат побудителями онкологических заболеваний органов пищеварения.

Значительная доля фосфорных удобрений не усваивается растениями, не вовлекается в биохимический круговорот, а около 5% выносится в водные объекты.

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.

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.

СПАВ 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 гидробионтов. У рыб они вызывают жаберные кровотечения и удушье, а у теплокровных животных нарушают функции биомембран, усиливая тем самым токсическое и канцерогенное влияние других токсикантов водной среды [2].

Вывод:

В данной теме рассмотрено понятие загрязнения окружающей среды, изучено химическое загрязнение и рассмотрены глобальные экологические проблемы.

Вопросы для самопроверки:

1. Дайте определение загрязнения окружающей среды. Укажите его виды и масштабы.

2. Назовите главные загрязнители атмосферы.

3. Как называется ядовитая смесь дыма, тумана и пыли? К каким экологическим последствиям она приводит?

4. Чем вызваны кислотные дожди?

5. Почему истощение озонового слоя Земли относится к числу важнейших экологических проблем?

6. Покажите, что общий экологический вред от пестицидов превышает пользу от их применения.

Список литературы:

1.Новиков, Ю. В. Экология, окружающая среда и человек: [учеб. пособие] / Ю.В. Новиков. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: ФАИР-ПРЕСС, 2005. - 736 с.

2.Павлов, А. Н. Экология. Рациональное природопользование и безопасность жизнедеятельности: [учеб. пособие] / А.Н. Павлов. - М.: Высшая школа, 2005. - 343 с.: ил. - На учебнике гриф: Рек.УМО. - Библиогр.: с. 338-341.

3.Передельский, Л. В. Экология: учебник / Л.В. Передельский, В.И. Коробкин, О.Е. Приходченко. - М.: Проспект, 2008. - 512 с. - Библиогр.: с. 499.

4.Хотунцев, Ю. Л. Экология и экологическая безопасность: [учеб. пособие] / Ю.Л. Хотунцев. - 2-е изд., перераб. - М.: Академия, 2004. - 480 с. - На учебнике гриф: Доп.УМО. - Библиогр.: с. 472-475.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 Следующая ⇒