Презентация "Прикладная экология - основные направления" по биологии – проект, доклад

Рис. 1. Подразделения современной экологии

Экологический мониторинг Слежение за всеми составляющими природоемкости производства и состоянием окружающей среды

Экологическая экспертиза Установление соответствия намечаемой деятельности экологическим требованиям

Экологическое прогнозирование, экологический аудит и сертификация, экологическое управление, устойчивое развитие

ТЕХНОСФЕРА

В процессе техногенеза – исключительно короткого по продолжительности этапа эволюции – человеческая цивилизация привела к появлению на планете новой глобальной материальной совокупности в виде многослойной насыщенной сферы искусственных объектов – ТЕХНОСФЕРЫ.

Рост техносферы в XX веке (по Т.А. Акимовой, В.В. Хаскину, 2006)

Сравнение биосферы и техносферы

СОСТАВЛЯЮЩИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ КОНЦЕПТУАЛЬНОЕ (ОСНОВНОЕ) УРАВНЕНИЕ Гридела-Алленби Рост численности населения Земли: Начало IV тысячелетия до н.э. – 100 млн. человек 1000 лет до н.э. – 300 млн. человек 1500 год – 425 млн. человек 1850 год – 1169 млн. человек 1900 год – 1630 млн. человек 1950 год – 2527 млн. человек 2000 год – 6083 млн. человек 2012 год – 8000 млн. человек 2050 год – 10000 млн. человек Изобилие обычно характеризуется величиной ВВП, ВНП, ВМП Экспоненциальный рост мировой экономики свидетельствует об экспоненциальном росте изъятия природных ресурсов. На 20% самого богатого населения мира приходится 86% общей суммы личных расходов, потребление 58% мировой энергии, 45% мяса и рыбы, 84% бумаги, наличие 87% личных автомобилей Технологии Экологическая состоятельность применяемых технологий оценивается по степени воздействия на окружающую среду в расчете на единицу ВВП

ВОЗДЕЙСТВИЕ = ЧИСЛЕННОСТЬ НАСЕЛЕНИЯ Х ИЗОБИЛИЕ Х ТЕХНОЛОГИИ

Рост численности населения (N, млрд.), мощности энергетики (E; ТВт = 1012 Вт), душевого потребления мощности (E/N, кВт/чел.) и валового мирового продукта (ВМП, трлн. долл.) в XX в.

Техногенный материальный баланс Из 120 Гт ископаемых материалов и биомассы, мобилизуемых за год мировой экономикой, только 9 Гт (7,5%) преобразуется в материальную продукцию в процессе производства. Более 80% этого количества возвращается в основные фонды производства. Только 1,6 Гт составляют личное потребление людей, причем 2/3 этой массы относится к нетто-потреблению продуктов питания. Из окружающей среды все люди потребляют 3,6 Гт питьевой воды и 1,2 Гт кислорода. В атмосферу возвращается 1,6 Гт выдыхаемых углекислого газа и паров воды; при этом выделяется 18 ЭДж теплоты. В водоемы и на поверхность земли от людей поступает 4Гт жидких и 0,8 Гт твердых отходов. Материальный нетто-баланс человечества как биологического вида необычайно велик, во много раз превосходит материальный бюджет любого другого вида животных, но в целом почти вписывается в глобальный биотический круговорот и создает лишь часть современных экологических проблем. Наиболее серьезные проблемы связаны с потреблением биоресурсов, энергетикой и промышленным производством.

Ежегодное изъятие около 10 Гт сухого вещества биомассы в виде сельхозпродукции, древесины и морепродуктов составляет почти 5% продукции фотосинтеза на суше. Казалось бы, немного. Но кроме этого, за счет антропогенного уменьшения биомассы и продуктивности естественных экосистем, замещения их агроценозами, вырубки лесов, опустынивания, техногенной деградации и т.д. – человек косвенно переводит в антропогенный канал еще 7–10% первичной продукции экосистем суши, снижая продуктивность земной биосферы примерно на 10–12%. Именно это расценивается как самое главное вмешательство хозяйства в природные процессы. Общая масса отходов современного человеческого хозяйства и продуктов техносферы (за исключением простых газообразных веществ, участвующих в обмене кислорода, азота и паров воды) составляет не менее 140 Гт в год. Это количество распределяется между водоемами, воздухом и поверхностью земли приблизительно в соотношении 1:2:6. Все отрасли техносферы потребляют огромное количество воды: около 5000 км3 в год. Оно соответствует почти 1/5 объема влаги, вводимой в планетарный круговорот транспирацией всех растений суши. Скорость оборота воды в техносфере во много раз больше, чем в биосфере. С учетом потребляемого воздуха и добываемого природного газа техносферный газообмен составляет более 150 тыс. куб. км в год, что превышает 1/4 биосферного газообмена. Почти такое же соотношение существует между выделением техногенной теплоты и годовым потоком энергии фотосинтеза. Таким образом, к концу XX столетия человечество на 20–25% увеличило обмен веществ и энергии на планете.

Наиболее серьезно вмешательство техногенеза в биосферный обмен органических веществ. По закону распределения вновь образовавшегося органического вещества между разными группами гетеротрофных организмов для крупных консументов допустимо изъятие не более 1% ежегодной продукции биосферы («правило одного процента»). Человек, ставший самым мощным в природе конечным консументом, во много раз, почти на порядок превысил естественный норматив. Наиболее важным отличием техногенного массообмена от биологического круговорота является то, что техносферный круговорот веществ существенно разомкнут и в количественном, и в качественном отношении. Поскольку техногенный массообмен составляет заметную часть глобального круговорота веществ, своей разомкнутостью он нарушает необходимую высокую степень замкнутости биотического круговорота, которая выработана в длительной эволюции и является важнейшим условием стационарного состояния биосферы. Это означает очень серьезное нарушение биосферного равновесия. Таким образом, современная техносфера не только вытесняет и замещает биосферу, но и нарушает средорегулирующую функцию биосферы.

ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ КАК РЕСУРСЫ ТЕХНОСФЕРЫ Ресурсы – это вещества, материалы, силы и потоки вещества, энергии и информации, которые: 1) образуют входные звенья природных или хозяйственных циклов, являются их необходимыми участниками и в связи с этим – носителями функции полезности; 2) имеют измеряемое количественное выражение: массу, объем, плотность, концентрацию, интенсивность, мощность, стоимость; 3) при изменениях во времени подчиняются фундаментальным законам сохранения. Ресурсы естественные (природные) – важнейшие компоненты окружающей человека естественной среды, используемые для удовлетворения материальных, энергетических и культурных потребностей общества (ресурсы животного мира, земельные, лесные, водные, рекреационные, эстетические и др.). Они весьма разнообразны, в том числе и по возможностям их применения в быту. Необходимо помнить, что большинство ресурсов – это прежде всего ресурсы для живой природы, а не только для человека. Кроме того, с экологической точки зрения по отношению к живой природе значительная часть ресурсов недр, используемых человеком (уголь, нефть, ртуть, уран и др.), не может считаться ресурсами, так как при этом извращается функция их биологической полезности.

Именно поэтому следует различать (Акимова, Кузьмин, Хаскин, 2007): ресурсы биосферы (которые представлены только возобновляемыми ресурсами вещества, энергии и информации), находящиеся под контролем живых организмов; ресурсы техносферы, в которые, помимо значительной части ресурсов биосферы, захваченных человеком и вырванных им из биологического круговорота, входят и невозобновляемые ресурсы (добываемые в основном из недр), находящиеся вне контроля биоты биосферы, и которые никаким существам, кроме человека, не нужны, чаще вредны. Объем возобновляемых ресурсов, используемых техносферой, определяет ее природоемкость. Существует несколько классификаций природных ресурсов. Естественная классификация основана на разделении ресурсов по компонентам природной среды: земельные, минеральные, водные, климатические, растительные, животного мира и т.п. В хозяйственной классификации ведущее значение имеет их принадлежность: ресурсы топливно-энергетического комплекса, металлургии, сельского хозяйства и т.д. С эколого-экономической точки зрения важна классификация природных ресурсов по признакам исчерпаемости.

Классификация природных ресурсов

Природные ресурсы можно классифицировать и по другим признакам: – по их использованию: производственные ресурсы (сельскохозяйственные, промышленные), рекреационные, эстетические, научные и др.; – по заменимости: заменимые (например, ископаемое топливо можно заменить энергией Солнца, ветра) и незаменимые (кислород воздуха для дыхания, пресная вода для питья). Деление по признаку использования условно, так как один и тот же ресурс (например, вода в озере) может быть использован как для промышленных и рыбоводческих нужд, так и для рекреационных целей. Однако при этом часто действует правило интегрального ресурса, согласно которому использование его в одних целях затрудняет или полностью исключает использование в других. Так, если в водоем спускаются отходы промышленного производства, то это затрудняет использование его в питьевых целях или для разведения рыбы. При осуществлении хозяйственной деятельности важно иметь достаточно полную информацию о ресурсообеспеченности и природоемкости производства. Ресурсообеспеченность – это соотношение между величиной природных ресурсов и размерами их использования. Она выражается либо количеством лет, на которое должно хватить данного ресурса, либо его запасами из расчета на душу населения. О ресурсообеспеченности нельзя судить только по размерам запасов, – надо учитывать интенсивность потребления их самим обществом.

Природоемкость производства – совокупный ущерб, который наносится природным объектам и ресурсам, состоянию окружающей среды строительством и эксплуатацией хозяйственных объектов, их отходами и продукцией. Хотя человечество на протяжении всей своей истории сталкивается с ограниченностью природных ресурсов, оно до сих пор не осознало последствий их безграничного использования. Ни на макро-, ни на микроуровнях в экономике не используется показатель природоемкости. В настоящее время экономика мирового хозяйства чрезвычайно природоемка, что и обусловливает истощение природных ресурсов (Акимова, Кузьмин, Хаскин, 2007). Для учета имеющихся природных ресурсов в каждом цивилизованном государстве существуют Кадастры природных ресурсов – своды экономических, экологических, организационных и технических показателей, характеризующих количество и качество природных ресурсов, состав и категории природопользователей. Кадастры представляются по видам природных ресурсов, периодически обновляются, данные кадастровой оценки применяют при планировании использования ресурса, для оценки степени рациональности использования, при определении платежей за ресурс.

Потребление энергетических ресурсов в мире («Планета Земля», 2007)

Площадь земель, не затронутых хозяйственной деятельностью (%)

Биоразнообразие. Утрата видов. Из 1,75 млн. зарегистрированных видов в поле зрения людей, занятых активным изучением или хозяйственным использованием организмов, попадает едва лишь сотая часть. В то же время из-за деградации природной среды, загрязнения, разрушения биоценозов биосфера ежегодно теряет 10-15 тыс. биологических видов, преимущественно низших форм. Палеонтологические оценки дают фоновую скорость смены видового состава среди млекопитающих и птиц: один вид на каждые 500-1000 лет. Между тем в последней Красной книге Всемирного союза охраны природы (МСОП) показано, что около 24% видов млекопитающих и 12% видов птиц в настоящее время находятся на грани исчезновения. Только за последние 30 лет зафиксировано исчезновение 58 видов рыб, 9 видов птиц и 2 видов млекопитающих.

Количество видов позвоночных, находящихся под угрозой полного исчезновения, по регионам (ГЭП-3, 2004)

Загрязнение антропосферы Глобальное загрязнение антропосферы достигло огромного масштаба, который определяется современным объемом добывающего и перерабатывающего производства. В конце XX в. ежегодная добыча всех видов ископаемых (включая пустую породу и перемещенные и извлеченные на поверхность грунты) составила 125 млрд. т (Гт). Около 12 Гт из этого количества приходится на все виды ископаемого топлива — уголь, нефть, газ. В производство вовлечено также не менее 10 Гт органического сырья (в пересчете на сухое вещество) в виде древесины, кормов для животных, сельхозпродукции, рыбы и морепродуктов. За счет антропогенного уменьшения биомассы и продуктивности естественных экосистем, замещения их агроценозами, вырубки лесов, опустынивания, техногенной деградации и т.п. человек косвенно переводит в антропогенный канал еще 7-10% первичной продукции экосистем суши, в целом снижая продуктивность земной биосферы примерно на 10-12%.

В годовое производство мира вовлечено около 140 Гт сырьевой массы различных веществ, материалов и топлива. При сжигании топлива и биологическом окислении изымаемой биомассы в промышленности, сельском и коммунальном хозяйстве и на транспорте потребляется 30-31 Гт кислорода (т.е. около 105 км3 воздуха) и возвращается в атмосферу 36-38 Гт углекислого газа, а также значительное количество других продуктов горения, их примесей и паров воды (не считая техногенного испарения свободной воды). При этом освобождается колоссальное количество энергии, соответствующее общей мощности технической энергетики около 1,5 • 1013 кВт.

Из 127-130 Гт мобилизуемого за год сырья получается около 10 Гт продукции — строительных материалов, металлов, химической продукции и различных изделий, большая часть которых идет на приращение технического и техногенного вещества техносферы, а меньшая часть — около 1,7 Гт продуктов питания и различных предметов потребления — составляют нетто-потребление людей. Все остальное — это текущие (ежегодные) отходы человеческого хозяйства. Продукция — это тоже отход, только «отложенный». Таким образом, общая масса отходов современного человеческого хозяйства и продуктов техносферы (за исключением простых газообразных веществ, участвующих в обмене кислорода, азота и паров воды) составляет не менее 125 Гт в год. На каждого жителя Земли приходится по 20 т техногенных отходов в год. Естественно, что в расчете на каждого жителя городских промышленных агломераций эта «норма» превышена в несколько раз.

Поверхность земли испытывает самую значительную по массе и очень опасную антропогенную нагрузку. Если в атмосферу выбрасывается менее 1 млрд. т вредных веществ (без С02), а в гидросферу — около 15 млрд. т загрязнителей, то на землю попадает ежегодно примерно 85-90 млрд. т антропогенных отходов. По некоторым оценкам, их общий объем к концу 90-х годов превысил 1500 км3. В основном это пустая порода, извлеченные грунты. Но если даже преобладающая часть этого объема химически инертна, то для того, чтобы его разместить на земле, человек уничтожает природные экосистемы на значительной площади. Впрочем, отвалы пустой породы, скопления шлаков и шламов также являются источниками загрязнения воды и воздуха, так как содержат тяжелые металлы, радиоактивные вещества и другие загрязнители земли — терраполлютанты.

Каждой тонне мусора на стадии потребления соответствует 5 т отходов на стадии производства и 20 т при получении сырья. На каждого жителя Земли приходится за год в среднем 0,15 т отходов потребления, 1,5 т продуктов производства, т.е. «отложенных» отходов и около 17 т отходов переработки сырья. Существуют различные оценки опасности отходов, загрязняющих землю. По разным критериям опасности только химического и бактериологического загрязнения почвы и грунтов ежегодно в мире образуется от 1 до 1,5 млрд. т вредных производственных и 400-450 млн. т вредных твердых бытовых отходов. Наиболее опасны те токсичные терраполлютанты, которые и геохимически, и биохимически достаточно подвижны и могут попасть в питьевую воду или в растения, служащие пищей для человека и сельскохозяйственных животных. Это в первую очередь соединения тяжелых металлов, некоторые производные нефтепродуктов — полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и соединения типа диоксинов, а также разнообразные синтетические яды — биоциды. Кроме них в связи с определенной вероятностью технических аварий, террористических актов и вооруженных конфликтов чрезвычайно высокую опасность представляют боевые отравляющие вещества (ОВ) и радионуклиды.

Ресурсы пресной воды для организмов суши ограничиваются возобновляемыми запасами воды в почве, биомассе, реках и озерах. Их суммарный статический объем — около 200 тыс. км — составляет всего 0,014% общего количества воды на планете. Хозяйственные эксплуатационные ресурсы пресной воды еще меньше, хотя включают и подземные воды. Общий водохозяйственный потенциал ресурсов пресной воды оценивается в 2,5-2,8 млн км3/год, а современные доступные эксплуатационные запасы — 42 тыс. км3/год. Из них лишь 14 тыс. км3 составляют устойчивую часть речного стока и 2 тыс. км3 — мало минерализованные подземные воды. Около 70% мирового водопотребления приходится на сельское хозяйство, 13% — на промышленность, 10% — на коммунально-бытовые нужды, 7% — на собственные нужды водного хозяйства (гидроэнергетика, судоходство, рыбное хозяйство и др.). Только за 30 лет (1970-2000) площадь орошаемых земель в мире увеличилась со 170 млн. до 275 млн. га, а объем водозабора из природных источников — с 2600 до 4000 км3 в год (ФАО, 2001; ГЭП-3, 2004).

Главными источниками загрязнения природных вод и запасов воды служат: 1) сточные воды промышленных предприятий; 2) сточные воды коммунального хозяйства городов; 3) стоки систем орошения, поверхностные стоки с полей и других сельскохозяйственных объектов; 4) атмосферные выпадения загрязнителей на поверхность водоемов и водосборных бассейнов. Кроме того, неорганизованный сток воды осадков (ливневые стоки, талые воды) загрязняет водоемы существенной частью техногенных терраполлютантов. Антропогенное загрязнение гидросферы в настоящее время приобрело глобальный характер и существенно уменьшило доступные эксплуатационные ресурсы пресной воды на планете.

Общий объем промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых стоков достигает 1300 км3 (по некоторым оценкам до 1800 км3), в том числе около 600 км3 наиболее токсичных промышленных стоков. Для разбавления всего объема стоков требуется примерно 8,5 тыс. км3 воды, т.е. 20% полного и 60% устойчивого стока рек мира. По отдельным водным бассейнам антропогенная нагрузка гораздо выше средних глобальных значений. Общая масса загрязнителей гидросферы огромна — около 14 млрд. т в год. В нее входят самые различные ингредиенты — от аэрогенных выпадений до затонувших судов. К наиболее опасным загрязнителям воды — гидрополлютантам — относятся соли тяжелых металлов, фенолы и другие органические яды, нефтепродукты, пестициды, насыщенная бактериями биогенная органика, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), моющие средства, минеральные удобрения. Кроме химического загрязнения водоемов определенное значение имеют также механическое, термическое и биологическое загрязнение.

Техногенные загрязнения воздушной среды насчитывают десятки тысяч различных веществ. По объему эмиссии первое место занимает диоксид углерода — С02. Но он не считается загрязнителем (не имеет класса опасности), хотя и создает существенную экологическую проблему. Наиболее распространенные, «многотоннажные» загрязнители — аэрополлютанты — сравнительно немногочисленны. Это различные твердые частицы (пыль, дым, сажа), окись углерода (СО), диоксид серы (S02), окислы азота (NO и N02), различные летучие углеводороды (СНХ), соединения фосфора, сероводород (H2S), аммиак (NH3), хлор (Сl), фтористый водород (HF). Общая масса выбросов от всех организованных источников составляет около 800 млн. т, в том числе в России — около 36 млн. т. Сюда не входят загрязнения воздуха при ветровой эрозии, лесных пожарах и вулканических извержениях, а также та часть вредных веществ, которая улавливается с помощью различных средств очистки отходящих газов.

Источником кислотных осадков являются диоксид серы S02, образующийся при сжигании серосодержащего топлива, при переработке сульфидных руд металлов, а также окислы азота N0 и N02, образующиеся при высокотемпературных процессах в промышленности и на транспорте. Вторичные реакции в атмосфере приводят к образованию сильных кислот: 2S02 + 2Н20 + 02 -> 2H2S04 4N02 + 2Н20 + 02 -> 4HN03; 4NO + 2Н20 + 302 -> 4HN03 Растворение кислот в атмосферной влаге приводит к образованию «кислого тумана» и выпадению «кислотных дождей». рН осадков в ряде случаев снижается на 2-2,5 единицы. Это наносит вред растительности и водоемам, ухудшает качество питьевых источников воды.

Кислотные осадки (дождь, снег, туман) образуются при растворении в воде диоксидов серы и азота. Они вымывают из листьев растений белки, аминокислоты, сахар, калий, повреждают верхний защитный слой. Растворы кислот вымывают гумус, снижают количество жизненно важных солей кальция, калия и магния. Кислотные почвы бедны микроорганизмами, в них замедляется скорость деструкции опада и происходит значительное сокращение численности редуцентов. Кислотные дожди уничтожают громадные экосистемы, вызывают гибель растений и лесов, превращают озера и реки в безжизненные водоемы. В США за последние 100 лет кислотные дожди стали в 40 раз более кислыми, около 200 озер остались без рыбы, в Швеции 20% озер находятся в катастрофическом состоянии. Более 70% шведских кислых дождей вызвано выбросами других стран. Около 20% кислых дождей в Европе – следствие выбросов окислов серы в Северной Америке.

Эмиссии ряда техногенных загрязнителей считают причастными к нарушению озонового слоя атмосферы, поскольку попадающие в высокие слои атмосферы атомы хлора (в составе хлорфторуглеводородов) и окислы азота мешают образованию озона, обладая повышенным сродством к атомарному кислороду: Сl + 03 = СlO + 02 СlO + О = 02 + Сl N0 + 03 = N02 + 02 N02 + О = N0 + 02 Не исключено, однако, что часть наблюдаемого ослабления озонового экрана Земли (образование «озоновых дыр») связана не с техногенными выбросами, а с колебаниями аэрохимических свойств атмосферы и независимыми изменениями климата.

Некоторые атмосферные газы хорошо пропускают видимый свет и поглощают тепловое излучение планеты, вызывая общее потепление. Парниковый эффект на 50% обусловлен присутствием углекислого газа, 18% вносит метан и 14% – фреоны. В XX веке количество углекислого газа возросло в атмосфере на 25%, а метана – на 100%, что повысило среднюю температуру на 0,5 градусов. При сохранении такой тенденции в ближайшие 50 лет температура может подняться на 3–5 градусов. Расчеты показывают, что таяние полярных льдов приведет к повышению уровня Мирового океана на 0,5–1,5 м. В Египте будут затоплены 20–30% плодородных земель дельты Нила, под угрозой окажутся прибрежные селения и крупные города Китая, Индии, США. Общее количество осадков увеличится, но в центральных частях материков климат может стать более засушливым и пагубным для урожая, прежде всего – зерновых и риса.

Влияние состояния среды на здоровье людей Связь показателей здоровья с загрязненностью окружающей среды. В сводке «Глобальная экологическая перспектива» (ГЭП-3, 2004) указывается, что неблагоприятные условия окружающей среды обусловливают от 25 до 33% заболеваний, регистрируемых в мире. В 18% случаев причиной преждевременной смерти или заболевания жителей развивающихся стран становятся именно условия окружающей среды. Из них 7% приходятся на проблемы с водоснабжением и канализацией, 4% — на загрязнения воздуха внутри помещений, 3% — на заболевания, вызванные переносчиками инфекций, 2% — на загрязнение воздуха в городах и 1% — на воздействие отходов промышленности и сельского хозяйства. В масштабах всего мира около 7% всех случаев преждевременной смерти людей связаны с плохим качеством питьевой воды и проблемами санитарно-гигиенического обеспечения, а примерно 5% — с загрязнением воздуха. Ежегодно жертвами неблагоприятных факторов окружающей среды становятся 3 млн. детей, не достигших пятилетнего возраста. Согласно недавним подсчетам в 40-60% случаев причиной смерти являются острые респираторные инфекции, развившиеся на фоне неблагоприятных внешних условий, например, загрязнения воздуха взвешенными частицами. В США увеличение содержания взвесей в воздухе на 10 мкг/м3 вызывает рост общей заболеваемости на 4%, смертности от кардиореспираторных заболеваний — на 6%, смертности от рака легких — на 8%.

В 66 городах России, где постоянно регистрировались значительные — в 10 раз и более — превышения ПДК вредных веществ в воздухе, уровень общей заболеваемости среди 40 млн. их жителей был выше среднего по городам страны в 1,6-2 раза. При общем уровне онкологической заболеваемости в России в 1989 г. — 196 случаев на 100 тыс. заболеваемость раком всего городского населения составляла 268 случаев, а в экологически неблагополучных городах намного больше: в Нижнем Новгороде — 405, Архангельске — 414, Новочеркасске — 463, Норильске — 485, Екатеринбурге — 502, Кургане — 612 случаев. Заболеваемость раком легкого в промышленных центрах с наличием предприятий черной и цветной металлургии на 75% больше, чем в среднем по городам страны. Жизнь четверти городского населения России протекает в экологически неблагополучной обстановке, связанной с загрязнением воздушного бассейна городов, а 3% городских жителей живут в условиях чрезвычайно опасного уровня загрязнения. Здесь следует лишь подчеркнуть, что постоянное 3-4-кратное превышение предела опасности, обусловленного ПДК важнейших поллютантов, приводит к переходу от эпизодической экопатологии к хронизации многих экогенных заболеваний и к проявлениям так называемых эндоэкологических эпидемий, когда длительной экопатологией охватываются значительные контингенты людей.

Специфические техногенные экопатологии в отличие от острых отравлений развиваются в результате хронического воздействия малых, субкритических и обычно неощутимых доз техногенных загрязнителей. Вся биота экосферы, особенно той ее части, что преобразована человеком, — микроорганизмы, растения, животные, люди — в той или иной степени отравлена промышленными ядами. Установлено, например, что скелет современного американца содержит свинца в 1000 раз больше, чем кости аборигенов Мексики в середине первого тысячелетия. В молоке женщин многих стран могут быть обнаружены следы ДДТ. Волосы, ногти и молочные зубы детей в промышленных районах Земли содержат свинец, кадмий, а иногда и следы стронция-90. Однако все чаще возникают ситуации, когда обнаруживаются более или менее ясные симптомы специфических патологий, обусловленных хроническим действием малых концентраций техногенных поллютантов. Это действие тесно связано с переносом вредных веществ из внешней среды во внутреннюю среду организма с последующей более или менее длительной задержкой части этих веществ и их постепенным накоплением. Биоаккумуляция какого-нибудь агента оценивается коэффициентом накопления: Кав = Сорг/Сср т.е. отношением стабилизированной концентрации вещества в организме (Сорг) к концентрации его в окружающей его среде (Сср). Коэффициенты накопления связаны с биофильностью элементов или их соединений и сильно зависят от сходства или различий фазовых состояний внешней и внутренней сред. Коэффициент аккумуляции ниже 1 можно представить себе как абиотическое накопление.

Тяжелые металлы (ТМ). Все ТМ в той или иной степени ядовиты. К ним относят обычно элементы с атомной массой более 50 и плотностью более 5 г/см3, хотя в число токсичных металлов входит и легкий бериллий. По токсичности, присутствию в современной окружающей среде и вероятности попадания в живые организмы может быть выделена приоритетная группа ТМ: свинец, ртуть, кадмий, мышьяк, медь, цинк, хром, никель. Несколько меньшее значение имеют таллий, висмут, олово, ванадий, сурьма, марганец, кобальт, молибден и селен. За исключением указанной выше небольшой группы «биофильных», все эти металлы токсичны, по крайней мере по отношению к высшим животным и человеку и представляют собой политропные яды. Они попадают в организм с пищей, водой, при вдыхании загрязненного воздуха и в зависимости от химической формы их соединений с той или иной скоростью иногда довольно быстро выводятся из организма. Но незначительная их часть задерживается в органах и тканях, вступая в соединение с биогенными элементами и радикалами. Так как эти соединения не участвуют в нормальном обмене веществ и для большинства из них характерны длительные периоды полувыведения (от месяцев до десятков лет), происходит постепенное накопление ТМ, которое ведет к различным поражениям и тяжелым хроническим заболеваниям. Особенно опасно попадание ТМ в организм на ранних стадиях онтогенеза.

Свинец при определенном уровне накопления способен поражать систему кроветворения, нервную систему, печень, почки. Хронические отравления свинцом известны с глубокой древности в форме «сатурнизма» — слабости, малокровия, кишечных колик, нервных расстройств. Свинец может накапливаться в скелете, замещая кальций. Широкое распространение свинца в современной техносфере (промышленные эмиссии, выхлопы автомобилей, краски, изделия и т.п.) и невозможность вторичного использования его значительной части создают многочисленные свинцовые аномалии в селитебной среде. Поступая в организм с водой, вдыхаемым воздухом или пищей, свинец образует соединения с органическими веществами. Эти соединения нейротропны и способны вызывать энцефало- и нейропатии. Особенно опасны скрытые хронические отравления свинцом у детей, проявляющиеся в виде неврологических расстройств, нарушений психомоторики и деконцентрации внимания. Ртуть из почвенных аномалий проходит по трофическим цепям и попадает в организм человека с пищей или другим путем. Больше всего ее накапливается в печени и почках, приводя к нарушениям обмена веществ и выделительной функции. Ртуть легко метилируется и связывается с сульфгидрильными группами белков. Эти соединения также нейротропны. Найдено, что повышенное содержание метилртути в теле беременных женщин приводит к явлениям церебрального паралича и задержке психомоторной активности у родившихся детей. В середине 50-х годов у жителей рыбачьих поселков на берегу бухты Минамата в Японии возникло заболевание, выражавшееся в нарушениях органов чувств и поведения («болезнь Минамата»). Более 60 человек умерли. Из деревень исчезли кошки. Позднее было установлено, что первичной причиной болезни была метилртуть, попадавшая в морскую воду со стоками химической фабрики. Соединение накапливалось в морских организмах и рыбе, потребляемых жителями. Лишь в 1997 г. был снят карантин с бухты Минамата.

Кадмий по механизму внедрения в организм сходен с ртутью, но задерживается в органах намного дольше. Он вытесняет кальций и замещает цинк в составе биомолекул, что приводит к нарушению важных энзиматических реакций. Токсичность кадмия снижается в присутствии ионов цинка. Накапливаясь в печени и почках, кадмий вызывает почечную недостаточность и другие нарушения. Из организма кадмий выводится очень медленно. В 40-60-х годах сильное техногенное загрязнение кадмием воды и почвы рисовых полей в одном из районов Японии вызвало массовое заболевание местных жителей, выражавшееся в сочетании острого нефрита с размягчением и деформациями костей (болезнь «итай-итай»). У детей хроническое отравление кадмием вызывает нейропатии и энцефалопатии, сопровождающиеся, в частности, нарушениями речи. Мышьяк является сильным ингибитором ряда ферментов в организме и способен вызывать острые отравления. Совокупность симптомов, обусловленных постепенным отравлением людей соединениями мышьяка в коксохимическом производстве Италии, получила в 60-х годах название болезни «чизолла». Хроническое действие малых доз соединений мышьяка способствует возникновению рака легких и кожи, так как мышьяк сильно повышает чувствительность слизистых к другим канцерогенам, а кожных покровов — к ультрафиолетовым лучам. Тератогенные эффекты мышьяка проявляются в расщеплении неба («волчья пасть»), микроофтальмии, недоразвитии мочеполовой системы. На территории Бангладеш зафиксировано выщелачивание мышьяка из обогащенных этим элементом осадочных пород и поступление его в подземные воды. В результате более четверти из 4 млн. скважин в стране характеризуются опасными концентрациями мышьяка в воде. Без малого 75 млн. человек находятся под угрозой отравления мышьяком, следствиями которого могут стать рак кожи, дисфункция почек и печени, респираторные заболевания и преждевременная смерть. Около 24 млн. жителей Бангладеш уже страдают от мышьяковой интоксикации.

Техногенные органические ксенобиотики. В эту очень большую группу различных опасных веществ входят агенты, которые при локальном влиянии относительно высоких концентраций, связанном с авариями или военными действиями, могут вызывать острые отравления и гибель людей (диоксины, полихлорбифенилы, некоторые фосфороорганические соединения). Рассеянное присутствие их в среде в микроколичествах, как и других органических ксенобиотиков, вызывает при хроническом действии целый спектр экопатологий. Кроме указанных супертоксинов, в эту группу входят пестициды, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), хлорированные фенолы, ароматические амины, некоторые мономеры пластмасс, полимерные материалы и другие синтетические органические вещества. Большинство из них — это стабильные и высококумулятивные агенты. Обладая большим сродством к органическим компонентам живых организмов, они легко передаются по трофическим цепям со значительными коэффициентами накопления. Поскольку многие из них гидрофобны (плохо растворяются в воде), они накапливаются преимущественно в жировой ткани и фосфолипидах клеток, присоединяют активные радикалы, некоторые способны вторгаться в структуру ДНК. Этим обусловлены их канцерогенные, мутагенные и эмбриотоксические эффекты.

Пестициды. В 40-х годах прошлого столетия для уничтожения вредных (с точки зрения человека) организмов начали широко применять синтетические органические соединения — пестициды. В зависимости от объекта назначения их подразделяют на инсектициды, гербициды, фунгициды, дефолианты, десиканты и др. Ни один из этих химикатов не обладает абсолютной избирательностью и представляет угрозу для других групп организмов, в том числе для людей. Даже сравнительно мало токсичные пестициды не подвергаются ферментативному разложению. Никакие организмы не располагают соответствующими механизмами детоксикации. Применение пестицидов вызывает целый ряд проблем: 1) приспосабливаемость и развитие устойчивости вредителей к применяемым препаратам; 2) восстановление и вторичные вспышки численности вредителей, повышение их агрессивности; 3) рост затрат на применение в возрастающих дозах все новых и более дорогих пестицидов; 4) отрицательное воздействие на природную среду и здоровье человека. Несмотря на многомиллиардные затраты на производство и применение пестицидов, потери урожая от вредителей не уменьшились. Насекомые приспосабливаются к ядам гораздо быстрее, чем разрабатываются новые препараты. Устойчивость некоторых генетических модификаций вредителей в сотни раз выше, чем у исходных форм. Уже не существует эффективных средств против таких вредителей, как колорадский жук, совка, капустная моль. К настоящему времени зарегистрировано более 500 видов насекомых, у которых возникла невосприимчивость к пестицидам.

В результате загрязнения почвы и заражения биосферы гибнут целые популяции полезных насекомых, рыб, птиц и других животных. По данным ВОЗ отравление пестицидами каждый год поражает в мире до 2 млн. человек и уносит до 40 тыс. человеческих жизней. В районах особенно широкого применения пестицидов (зоны массированной обработки агроценозов, в частности, районы хлопкосеяния в Латинской Америке, Индии, Средней Азии) в 60-70-х годах наблюдались эпидемические проявления. Гербициды и инсектициды, в структуру которых входят эпоксидные, фосфатные и диазорадикалы, вызывали многочисленные случаи эмбриотоксического действия — гибель эмбрионов на ранних стадиях, выкидыши, преждевременные роды, высокую смертность новорожденных и детей до года, уродства. По данным экспериментов на животных, многие пестициды обладают высокими индексами мутагенности. На основании исследований ядер клеток человека с достаточной надежностью установлена мутагенность ряда пестицидов — линдана, хлортена, купрозана и др. Рост числа раковых заболеваний обычно не связывают с распространением и прямым действием пестицидов, но установлено, что некоторые пестициды в организме участвуют в образовании или способствуют образованию канцерогенных N-нитрозаминов.

Полициклические (конденсированные) ароматические углеводороды (ПАУ) — группа веществ, среди которых как раз есть сильные канцерогены прямого действия. В первую очередь это очень широко распространенный бенз(а)пирен, а также ряд дибензпиренов, некоторые бензфенантрены, фураны и другие вещества, являющиеся побочными продуктами нефтехимии и производства синтетического каучука. Во многих исследованиях показана высокая корреляция между присутствием в среде бенз(а)пирена и ряда сходных соединений с заболеваемостью различными формами рака, в особенности рака легких. Полихлорированные ароматические углеводороды — ПХБ, хлорированные бензофураны и др., попадавшие в следовых количествах в пищевое рисовое масло в Японии в 1968 г. и на Тайване в 1979 г. вызывали эндоэкологические эпидемии, сопровождавшиеся поражениями печени и почек («болезнь Юшо») и ростом злокачественных новообразований во внутренних органах.

Особо опасные токсиканты. С развитием нефтехимии, оргсинтеза, и особенно с производством и применением пестицидов связано появление в окружающей среде еще одной группы крайне ядовитых веществ — диоксинов. Один из диокиснов — 2,3,7,8-тетрахлорбензопарадиоксин (ТХДД) — занимает 5-е место в ряду самых сильных из известных ядов. Предполагается, что максимальная недействующая доза этого вещества для человека не превышает 10~6 мкг/кг. Известно около 200 сходных сверхтоксичных соединений, относящихся к классам полихлорированных дибензодиоксинов (ПХДД) и дибензофуранов (ПХДФ). Диоксины очень стойки: в почве они сохраняются 10-20 лет; период полувыведения у человека — несколько месяцев. Известны случаи заболеваний и гибели людей, связанные с диоксинами. Применение американской армией во Вьетнаме дефолианта «оранж», содержащего ТХДД, вызвало заболевания более 2 млн жителей в долине Меконга. Диоксины могут образовываться при сжигании угля, мусора, особенно пластмасс, а также в двигателях внутреннего сгорания.

Ежегодно в мире производится около 500 млн. т опасных отходов. Ими загрязняются значительные земельные площади и водоемы. Опасные отходы называют «бомбой замедленного действия» в силу их кумулятивного воздействия на окружающую среду. При их складировании происходят многочисленные вторичные химические процессы, и в среду поступают не только известные токсиканты, но и совершенно новые, непредсказуемые по своему воздействию на человека и экосистемы вещества. Установлено, например, что в шламах азотного производства при некоторых условиях образуется целый букет нитрозаминов — сильнейших мутагенов и канцерогенов. В промышленных зонах вблизи больших городов скопления отходов вместе с аэрогенными выпадениями образуют значительные техногенные геохимические аномалии многих металлов и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), которыми загрязняются не только почвы, грунты, но и растительность и подземные воды.

Виновником чрезвычайно опасных загрязнений на территории России является военно-промышленный комплекс (ВПК). Производство и испытания оружия, многочисленные склады вооружений, в том числе химического оружия, и связанные с ними аварии, взрывы, утечки, случаи неправильного обращения позволили говорить о «Необъявленной химической войне в России». Некоторые элементы ракетных топлив и боевые отравляющие вещества являются супертоксикантами. Еще до войны 1941-1945 гг. были налажены разработка и производство ОВ; в предвоенные и военные годы существовало не менее 28 складов ОВ, которые во многих местах страны оставили стойкие «пятна» иприта. После войны, несмотря на полное отсутствие стратегической необходимости, производство ОВ значительно расширилось. По состоянию на 1994 г. существовало 12 мощных предприятий по производству ОВ и 7 крупных арсеналов хранения, на которых были многочисленные случаи нарушений техники безопасности, утечек, массового отравления, заболеваний и гибели людей, загрязнения земли и водоемов, образования химических пустошей. Большое количество устаревших ОВ «первого поколения» (иприт, люизит и др.) уничтожалось методом открытого сжигания или сливом в водоемы. Со времен первой и второй мировых войн на дне Балтийского моря лежат тысячи химических снарядов. До сих пор на огромных складах в снарядах, бомбах, боеголовках ракет лежат десятки тысяч тонн ОВ «второго поколения», преимущественно нервно-паралитического действия (зарин, зоман, V-газ и др.), также давно превысившие сроки безопасного хранения. Все базы расположены в непосредственной близости (0,5–1,5 км) от жилых поселков. Весь этот комплекс обладает колоссальным потенциалом отсроченной катастрофы.

Аллергены. Выбросы в атмосферу многих техногенных загрязнителей, в том числе и некоторых из перечисленных выше, а также микроэмиссии ряда полимерных и других материалов в быту могут вызывать массовые аллергические заболевания, часто переходящие в хронические формы астмы, бронхитов, ринитов, дерматитов. Особенно опасны выбросы предприятий микробиологической промышленности, содержащие белки, глюкопротеиды и другие высокомолекулярные органические соединения. Некоторые выбросы химических предприятий, даже если они не превышают допустимых норм, при длительном действии могут приводить к обострению патологий другого происхождения. Так, слабые загрязнения воздуха аммиаком и ароматическими углеводородами усиливают полинозы и микозы — аллергические заболевания, вызываемые пыльцой растений или микроскопическими грибками. Из других патогенных агентов следует назвать нитраты и нитриты. Существенным фактором загрязнения среды является химизация сельского хозяйства. Даже минеральные удобрения при неправильном их применении способны наносить экологический ущерб при сомнительном экономическом эффекте. Высокие дозы азотных удобрений являются одной из причин накопления в растениях нитратов. Сами по себе они не очень токсичны. Но при употреблении растительных продуктов в пищу содержащиеся в них нитраты под действием микрофлоры кишечника восстанавливаются в нитриты, которые во много раз токсичнее. Повышенная концентрация сильного окислителя нитрит-иона вызывает метгемоглобинемию, сопровождающуюся нарушением кислородотранспортной функции крови и особенно опасную в детском возрасте. Кроме этого соединение нитритов с некоторыми лекарственными аминами и производными мочевины может приводить к образованию N-нитрозаминов — сильных канцерогенов и мутагенов.

Профессиональные заболевания химической этиологии очень разнообразны. Кроме высокой вероятности заболеваний на предприятиях оргсинтеза, биологической и фармацевтической промышленности, следует выделить пневмокониозы — группу хронических профессиональных заболеваний легких, обусловленных длительным вдыханием производственной пыли минеральной природы. Такое вдыхание оксидов железа у работников металлургии вызывает сидероз, вдыхание угольной пыли шахтерами часто приводит к антракозу, вдыхание пыли, содержащей силикаты, вызывает ряд силикатозов: силикоз при воздействии кремнезема, талькоз при воздействии талька, асбестоз при воздействии асбеста и др. Асбест, широко применяемый в строительстве и технических изделиях, вошел также в число опасных канцерогенов, хотя связанные с его присутствием в воздухе заболевания раком легких регистрируются в основном в сфере профзаболеваний.

Радиационное загрязнение антропосферы обусловлено появлением в XX в. искусственных источников радиации, представляющих большую потенциальную опасность. Этот потенциал на много порядков больше естественного радиационного фона, к которому адаптирована вся живая природа. Фон создается рассеянной радиоактивностью земной коры, проникающим космическим излучением. В недавнем прошлом он составлял 8–9 микрорентген в час (мкР/ч), что соответствует среднегодовой эффективной эквивалентной дозе (ЭЭД = HD) для жителя Земли в 2 миллизиверта (мЗв). Рассеянная радиоактивность обусловлена наличием в среде следовых количеств природных радиоизотопов с периодом полураспада более 105 лет (в основном урана и тория), а также 40К, 14С, 226Ra и 222Rn. Радон в среднем дает до 50% естественного фона облучения наземной биоты. Указанный уровень фона был характерен для доиндустриальной эпохи и в настоящее время несколько повышен техногенными источниками радиоактивности — в среднем до 11–12 мкР/ч при среднегодовой ЭЭД в 2,5 мЗв. Эту «прибавку» обусловили: технические источники проникающей радиации (медицинская, диагностическая и терапевтическая рентгеновская аппаратура, радиационная дефектоскопия, источники сигнальной индикации и т.п.); извлекаемые из недр минералы, топливо и вода; ядерные реакции в энергетике и ядерно-топливном цикле; испытания и применение ядерного оружия.

С 1945 по 1996 г. США, СССР, Англия, Франция и Китай произвели в надземном пространстве более 400 ядерных взрывов. В атмосферу поступила большая масса сотен различных радионуклидов, которые постепенно выпали на всей поверхности планеты. Их глобальное количество почти удвоили ядерные катастрофы, произошедшие на территории СССР. Долгоживущие радиоизотопы (особенно цезий-137 и стронций-90) и сегодня продолжают излучать, создавая приблизительно 2%-ную добавку к фону радиации. Последствия атомных бомбардировок, ядерных испытаний и аварий еще долго будут сказываться на здоровье облученных людей и их потомков. Суммарная ожидаемая коллективная (глобальная) ЭЭД от всех ядерных взрывов и аварий составляет в настоящее время 28 млн. чел.-Зв. К 2000 г. человечество получило лишь 20% этой дозы. Остальную часть оно будет получать еще тысячи лет. Радиационные загрязнения, связанные с технологически нормальным ядерным топливным циклом, имеют локальный характер и доступны для контроля, изоляции и предотвращения эмиссий. Эксплуатация объектов атомной энергетики сопровождается незначительным радиационным воздействием. Оно гораздо меньше, чем, например, радиационные эмиссии обогатительных предприятий угольной и металлургической промышленности. Нераспространение, а затем и ликвидация ядерного оружия и достижение высокого уровня радиационного контроля определяют возможность развития ядерной энергетики.

Радиационные поражения вызываются внешним ионизирующим облучением и попаданием радионуклидов внутрь организма. В зависимости от величины и состава поглощенной дозы обучения различают степени радиационного поражения, тяжести лучевой болезни и отдаленных последствий облучения. При больших дозах кратковременного облучения порядка 800 Р и выше наблюдается крайне тяжелая форма острого лучевого поражения, приводящая к летальному исходу (Хиросима и Нагасаки; испытания ядерного оружия с участием людей, находившихся в зоне поражения; группа персонала и пожарников в первые часы аварии на ЧАЭС). Тяжелые формы лучевой болезни при сублетальных дозах имеют следующие проявления: поражается кроветворная система костного мозга, в крови снижается количество нейтрофилов и тромбоцитов; развивается геморрагический синдром, обусловленный ломкостью капилляров и пониженной свертываемостью крови; нарушение процессов всасывания и кровоизлияния слизистой резко ухудшают работу кишечника; развивается радиационная геморрагическая пневмония, расстраивается дыхание и работа сердца; при попадании в организм радиоактивного йода нарушается работа щитовидной железы.

Пострадиационные эффекты включают различные некротические явления, нарушения иммунитета, гормональных и репродуктивных функций. Возникают эндогенные радиотоксины, вызывающие развитие аутоаллергических реакций. Практически все эти симптомы в той или иной степени сопровождают и более легкие формы радиационного поражения, включая хронические. Их последствия часто выступают как медленно текущие вторичные патологии, связанные с развитием лейкозов, злокачественных опухолей, бесплодия, нервными и психическими расстройствами и повышенной смертностью от совокупности этих нарушений. Поражения, обусловленные физическим загрязнением. Действие вибрации на организм человека зависит от ее физических параметров, дозы, места приложения, а также от биомеханических свойств человеческого тела как колебательной системы. Особенно опасны вибрации, резонансные с отдельными частями или органами тела. Общая вибрация оказывает неблагоприятное действие на нервную и сердечно-сосудистую системы, нарушает обмен веществ, вызывает изменения в вестибулярном аппарате. Длительное влияние интенсивных вибраций в сочетании с сопутствующими неблагоприятными факторами (охлаждение, шум, большие мышечные нагрузки и нервно-эмоциональное напряжение) может приводить к стойким патологическим нарушениям в организме человека и развитию опасного, трудно излечимого заболевания — виброболезни.

Воздействие шума носит комплексный характер. Шум угнетает центральную нервную систему, повышает утомляемость и снижает умственную активность, приводит к психологическим стрессам, неврозам, возникновению гипертонии, ослаблению иммунитета, ухудшению зрения. Обследование детей младшего школьного возраста, проведенное в районах аэропортов, выявило ухудшение умственной работоспособности на 10-46%, увеличение заболеваемости органов дыхания на 6-13%, нервной системы — на 26-27%. Инфразвуковые колебания также оказывают неблагоприятное действие на организм. При частотах порядка 6-10 Гц и при уровнях звукового давления от ПО до 150 дБ наблюдаются как неприметные субъективные ощущения, так и реактивные изменения в центральной нервной, сердечно-сосудистой и дыхательной системах. Известно влияние инфразвука на вестибулярный анализатор и снижение слуховой чувствительности. Кроме того, возникает утомление, снижаются внимание и работоспособность, отмечаются жалобы на сонливость, головные боли и головокружение; может появиться чувство растерянности и страха.

Все большие контингента населения охватываются неблагоприятными воздействиями электромагнитных полей. Особенно сильные изменения в электромагнитной среде человека, получившие название «микроволнового смога», связаны с мощными источниками радиоизлучений сверхвысокочастотного диапазона — радиолокационными и радиорелейными станциями. Кратковременное воздействие на организмы ЭМП радиочастотного диапазона связано в основном с их тепловым и аритмическим эффектом. Тепловой эффект возникает вследствие поглощения энергии ЭМП. В случае превышения теплового порога (при ППЭ > > 10 мВт/см2) организм не справляется с отводом избыточной теплоты, и температура тела повышается. Хроническое действие ЭМП небольшой интенсивности (ППЭ

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ МИРОВОГО ОКЕАНА

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ РАЗРАБОТКИ НЕДР

Экологические кризисы в развитии биосферы и цивилизаций (по Н.Ф. Реймерсу, 1992 с изменениями)

Пылеулавливающие аппараты сухой очистки (по Т. А. Акимовой, А. П. Кузьмину, В. В. Хаскину, 2007) а – пылеосадительная камера: 1 – корпус; 2 – бункер; 3 – перегородка; б – инерционный пылеуловитель: 1 – корпус; 2 – перегородка; в – жалюзийный пылеуловитель: 1 – корпус; 2 – решетка; г – циклон: 1 – корпус; 2 – входной патрубок; 3 – выходная труба; 4 – бункер

Пылеулавливающие аппараты мокрой очистки (по Т. А. Акимовой, А. П. Кузьмину, В. В. Хаскину, 2007) а – полый форсуночный газопромыватель: 1 – корпус; 2 – форсунки; б – скруббер Вентури: 1 – труба-распылитель; 2 – циклон-пылеуловитель

Скруббер Вентури (по А.Н. Голицыну, 2007) 1 – труба Вентури (1а – диффузор; 1б – конфузор); 2 – распределительное устройство для подачи воды; 3 – циклонный сепаратор; 4 – отстойник для суспензии; 5 – промежуточная емкость; 6 – насос

Аппараты механической очистки сточных вод (по Т. А. Акимовой, А. П. Кузьмину, В. В. Хаскину, 2007; А.Н. Голицыну, 2007): слева вверху: горизонтальный отстойник (1 – входной поток; 2 – отстойная камера; 3 – выходной поток; 4 – приемник); слева внизу: отстойник для суспензий (1 – цилиндрический корпус; 2 – днище; 3 – гребковая мешалка; 4 – кольцевой желоб для сбора осветленной жидкости); справа: напорный гидроциклон

Общая схема обработки сточных вод до этапа вторичной очистки (по Б. Небелу, 1993)

Схема гидромеханической и биологической очистки воды Биологические методы очистки сточных вод основаны на способности некоторых микроорганизмов использовать вещества, содержащиеся в воде, для своего питания и других процессов жизнедеятельности. Контактируя с вредными веществами и включая их в свой метаболизм, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду, диоксид углерода, сульфат-, нитрит-ионы и др. Такая биохимическая очистка может осуществляться в природных условиях (поля орошения, биологические пруды) или в искусственных сооружениях (метатенках, аэротенках, биофильтрах).

Экологическая безопасность человека Для измерения степени экологической безопасности человека может быть использована функция здоровья H, являющаяся векторной величиной вида: H = { mi(t), T, T(t), Fm(t), nj(k), …. } где mi(t) – возрастные коэффициенты заболеваемости и смертности; T – средняя продолжительность жизни; T(t) – ожидаемая продолжительность жизни в возрасте t ; Fm(t) – коэффициент рождаемости в возрасте t (различаемый по полу m); nj(k) – частоты генетически обусловленных болезней (j - категория болезни) по поколениям k и другие показатели, характеризующие здоровье. Степень ухудшения качества среды, доходящая до критических значений, в основном оценивается по нормированной сумме кратностей превышения нормативных лимитов загрязненности воздуха, воды и продуктов питания химическими веществами и радионуклидами. Минимальное значение не может быть меньше 1. Практика показывает, что за исключением аварийных выбросов особо опасных веществ в атмосферу при неблагоприятных метеоусловиях, наибольший вклад в формирование отрицательных последствий загрязнения среды для населения приходится на питьевую воду и продукты питания. При К > 1 загрязненность данной среды считается критической. В еще большей мере это относится к сумме превышений в разных средах — КР, так как при КР > 1 резко возрастает риск экологического поражения.

Для анализа риска, установления его допустимых пределов в связи с требованиями безопасности и принятия управляющих решений необходимы: наличие информационной системы, позволяющей оперативно контролировать существующие источники опасности и состояние объектов возможного поражения, в частности, статистический материал по экологической эпидемиологии; сведения о предполагаемых направлениях хозяйственной деятельности, проектах и технических решениях, которые могут влиять на уровень экологической безопасности, а также программы для вероятностной оценки связанного с ними риска; экспертиза безопасности и сопоставление альтернативных проектов и технологий, являющихся источниками риска; разработка технико-экономической стратегии увеличения безопасности и определения оптимальной структуры затрат для управления величиной риска и ее снижения до приемлемого уровня с социальной, экономической и экологической точек зрения; составление рискологических прогнозов и аналитическое определение уровня риска, при котором прекращается рост числа экологических поражений; формирование организационных структур, экспертных систем и нормативных документов, предназначенных для выполнения указанных функций и процедуры принятия решений; воздействие на общественное мнение и пропаганда научных данных об уровнях экологического риска с целью ориентации на объективные, а не эмоциональные или популистские оценки риска.

Универсальные территориальные экологические нормативы, предназначенными для регламентации хозяйственной деятельности Экологическое нормирование – совокупность проблем, связанных с определением нормы экосистем, изучением их антропогенных трансформаций и нахождением предельных величин нагрузок. Экологическая техноемкость (ЭТТ) – количественно соответствует максимальной техногенной нагрузке, которую может выдержать и переносить в течение длительного времени совокупность реципиентов и экосистем без нарушения их структурно-функциональных свойств. Предельно допустимая техногенная нагрузка (ПДТН) – величина максимального нарушения естественной среды территории в результате изъятия природных ресурсов и загрязнения среды, не выходящая за пределы ЭТТ.

ПДК – это та наибольшая концентрация вещества в среде и источниках биологического потребления (воздухе, воде, почве, пище), которая при более или менее длительном действии на организм – контакте, вдыхании, приеме внутрь – не оказывает влияния на здоровье и не вызывает отставленных эффектов (не сказывается на потомстве и т.п.)

Схема распространения аэрополлютантов и требования к нормированию вредных примесей в воздухе

С1/ПДК1+С2/ПДК2+ …+Сn/ПДКn  1 (1.1) С1, С2, …, Сn – концентрации вредных веществ, обладающих эффектом суммации; ПДК1, ПДК2…, ПДКn – соответствующие им предельно допустимые концентрации. Задание 1. Будет ли выполняться это условие, если в 1 куб.м атмосферного воздуха концентрация некоторых веществ однонаправленного действия составляет: SO2 – 0,2 мг/куб.м (ПДКмр = 0,5 мг/куб.м) NO2 – 0,06 мг/куб.м (ПДКмр = 0,085 мг/куб.м) NH3 – 0,01 мг/куб.м (ПДКмр = 0,045 мг/куб.м)

Для водных объектов одновременно с ПДК используется другой ограничительный норматив – лимитирующий показатель вредности (ЛПВ), который не имеет количественной характеристики, а отражает приоритетность требований к качеству воды. Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод выделяют три вида ЛПВ: санитарно-токсикологический – характеризует токсическое действие вещества на организм человека и водных животных; общесанитарный – характеризует влияние, оказываемое веществом на общесанитарное состояние водного объекта, в частности, на скорость протекания процессов самоочищения; органолептический – характеризует способность вещества менять органолептические, т.е. оцениваемые органами чувств человека свойства воды (запах, вкус, цвет, появление пены). Суть ЛПВ заключается в том, что загрязняющие вещества могут оказывать на водные экосистемы и здоровье человека неблагоприятное воздействие нескольких видов, каждое из которых характеризуется своей безопасной концентрацией. То из воздействий, безопасная концентрация для которого минимальна, и является лимитирующим.

На основании величин ПДК вычисляются значения предельно допустимых эмиссий – предельно допустимые выбросы в атмосферу (ПДВ), предельно допустимые сбросы в водоемы (ПДС) тех или иных веществ. При этом учитываются характеристики источников и условия распространения эмиссий. Например, для того, чтобы в ближайшем к заводским трубам жилом квартале города при наименее благоприятных условиях рассеивания не превышались ПДК аэрополлютантов, нужно ограничить выброс этих веществ постоянной предельной величиной – ПДВ. ПДВ и ПДС уже непосредственно регламентируют интенсивность и качество технологических процессов, являющихся источниками загрязнения. и приобретают свойство экологических нормативов. Сверхнормативные эмиссии влекут за собой экономические и административные санкции. Часто бывает, однако, что предприятие по техническим причинам не может соблюдать предписанные ему ПДВ, санкции безрезультативны, а сокращение или остановка производства чревата экономическими и социальными коллизиями.

В таких случаях применяется практика временного согласования выбросов и стоков, причем чаще всего на уровне фактических эмиссий. «Временно согласованные» выбросы и стоки (ВСВ и ВСС) по существу являются свидетельством отказа от нормирования и приводят к ухудшению экологической обстановки. Но и соблюдаемые ПДВ и ПДС не удовлетворяют многим требованиям экологического нормирования, так как существуют серьезные сомнения в пригодности ПДК в качестве основы нормативов. Вообще частно-нормативный подход не соответствует потребностям решения экологических проблем: 1) далеко не для всех реальных загрязнителей установлены ПДК; 2) нет ПДК для множества разнообразных сочетаний различных агентов; возможные взаимодействия между ними, образование вторичных продуктов и совмещенные эффекты не позволяют рассчитать «комплексы» ПДВ; 3) ПДК одного и того же вещества для ценных растений и животных могут быть существенно меньше, чем для человека; 4) большинство ПДВ рассчитываются на основании максимальных разовых ПДК, которые могут быть на порядок выше среднесуточных.

Схема зоны загрязнения в районе мощного промышленного выброса: Верхняя часть – план-схема территории, нижняя часть – профиль территории по линии АБ; ПЗ – промышленная зона с источником выброса; Г – районы города; Л – лесопарковые насаждения; СЗЗ – санитарно-защитная зона. Пунктиром обозначены профили рассеяния выбросов и соответствующие изолинии концентрации загрязнителей в приземном слое воздуха. Отображена ситуация, когда благодаря соблюдению ПДВ в жилой зоне города не превышается ПДК

Ясно, что регламентация должна строиться на другой основе. Если все же использовать ПДК, то для целей экологического нормирования и расчета ПДВ, в отличие от существующих норм, следовало бы отказаться от исходного соотношения, основанного на максимальном разовом ПДК: Спред. + Сфон.  аПДКмр (1.2) Спред. – нормативно предельная концентрация, используемая для расчета ПДВ; Сфон. – фоновая концентрация а – безразмерный коэффициент (для расчета ПДВ принимается равным единице, а для ВСВ – допускается большим единице). Вместо него правильнее было бы применять другое соотношение: Спред. + Сфон.  (– lgB) ПДКсс, (1.3) где B – безразмерный, лежащий между 0 и 1 интегральный показатель опасности вещества, устанавливаемый по нескольким основным параметрам токсикометрии.

ПДВ – это масса выбросов вредных веществ в единицу времени от данного источника или совокупности источников загрязнения атмосферы города или другого населенного пункта с учетом перспективы развития промышленных предприятий и рассеивания вредных веществ в атмосфере, создающая приземную концентрацию, не превышающую ПДК для населения, растительного и животного мира. ПДС – это масса вещества в сточных водах, максимально допустимая к отведению с установленным режимом в данном пункте водного объекта в единицу времени с целью обеспечения норм качества воды в контрольном створе. ПДС определяется с учетом ПДК вредных веществ в местах водопользования, их фоновой концентрации, ассимилирующей способности водного объекта и оптимального распределения массы сбрасываемых веществ.

Расчет ПДВ. Величина ПДВ по каждому загрязняющему веществу устанавливается из условия (1.2), а при наличии нескольких веществ однонаправленного действия должно соблюдаться условие (1.1). Валовые выбросы загрязняющих веществ от стационарных источников загрязнения атмосферы в большинстве случаев можно рассчитать по следующим формулам: mi = my Пk(1 – n) (1.4) mi = m*y Tk(1 – n) (1.5) где mi – масса выброса i-го загрязняющего вещества; my – удельное выделение i-го загрязняющего вещества на единицу продукции; П – расчетная производительность технологического процесса (оборудования, агрегата); m*y – удельное выделение i-го загрязняющего вещества в единицу времени; Т – фактический фонд времени работы оборудования; k – поправочный коэффициент для учета особенностей технологического процесса; n – эффективность средств очистки выбросов в долях единицы (при отсутствии средств очистки n = 0).

Для предприятий в целом ПДВ находят путем суммирования значений ПДВ для отдельных источников загрязнения атмосферы при условии соблюдения соотношения: N å Сmi  ПДК – Сфон. (1.6) i = 1 Сmi – наибольшая концентрация вредного вещества в атмосферном воздухе населенного пункта от i-го источника; N – число источников Задание 2. Два источника эмиссий выбрасывают в атмосферу каждый в равном соотношении смесь диоксида серы (Сm = 0,05 мг/куб.м) и диоксида азота (Сm = 0,035 мг/куб.м). Будут ли эти выбросы соответствовать предельно допустимым, если фоновая концентрация диоксида серы составляет 0,01 мг/куб.м, а диоксида азота – 0,002 мг/куб.м?

Задание 3. Четыре источника эмиссий выбрасывают в атмосферу следующие поллютанты: Источник А: диоксид серы: Cm = 0.06 мг/куб.м (ПДКмр = 0,5 мг/куб.м); диоксид азота: Cm = 0.031 мг/куб.м (ПДКмр = 0,085 мг/куб.м); пыль неорганическая: Cm = 0,02 мг/куб.м (ПДКмр = 0,3 мг/куб.м); Источник Б: оксид углерода: Cm = 0,7 мг/куб.м (ПДКмр = 5 мг/куб.м); диоксид серы: Cm = 0,09 мг/куб.м; аммиак: Cm = 0,01 мг/куб.м (ПДКмр = 0,2 мг/куб.м); Источник С: диоксид азота: Cm = 0,008 мг/куб.м; фенол: Cm = 0,003 мг/куб.м (ПДКмр = 0,01 мг/куб.м); Источник Д: сажа: Cm = 0,1 мг/куб.м (ПДКмр = 0,15 мг/куб.м); свинец: Cm = 0,0003 мг/куб.м (ПДКмр = 0,001 мг/куб.м). Известны значения фоновых концентраций (Сфон.) некоторых веществ: пыль неорганическая – 0,001 мг/куб.м; аммиак – 0,02 мг/куб.м оксид углерода – 0,2 мг/куб.м Представьте исходные данные в виде таблицы, рассчитайте суммарные выбросы от всех источников эмиссий и установите, превышают ли они предельно допустимые выбросы? Обратите внимание на то, что диоксид серы и диоксид азота имеют однонаправленное действие.

Расчет ПДС. В качестве примера рассмотрим расчет ПДС для отдельного одиночного выпуска сточных вод в проточный водоем (водоток). Величина ПДС определяется как произведение наибольшего расхода сточных вод q (куб. м/ч) и максимально допустимой концентрации вредного вещества в сточных водах Сст.доп (г/куб. м): ПДС = q Сст.доп (1.7) Объемный расход сточных вод q обычно величина известная. Допустимая концентрация примесей в сточных водах определяется выражением: Сст.доп i = n (Cmi – Cвi) + Cвi (1.8) n – кратность разбавления сточных вод; Cm – максимально допустимая концентрация того же вещества в воде водного объекта с учетом максимальных концентраций и ПДК всех веществ, относящихся к одной группе ЛПВ; Cвi – концентрация i-го вещества в водном объекте до сброса в него сточных вод.

При поступлении сточных вод в природный водный объект происходят их смешение и разбавление. Кратность разбавления сточных вод определяется по формуле: N = (g Q + q) / q (1.9) Q – объемный расход воды в водотоке; q – объемный расход воды в сточных водах; g – коэффициент смешения, учитывающий долю расхода воды водотока, участвующей в процессе смешения.

Схема последовательности экологического нормирования

Генерирование списков основных и коррелятивных переменных

Регистрация параметров биоты в градиенте нагрузки

Конструирование меры нагрузки

Выбор полигона исследований

Получение абсолютных и удельных показателей выбросов

Анализ технологических циклов источника эмиссий

Определение гигиенических ПДК в критических точках

Измерение нагрузки во всех точках градиента

Построение зависимости доза–эффект

Выявление критических точек кривой

Получение первичных экологических нормативов

Получение вторичных нормативов

Критерии оценки степени загрязнения атмосферного воздуха по максимально-разовым концентрациям

Критерии оценки степени загрязнения атмосферного воздуха по среднесуточным концентрациям

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЭКОСФЕРЫ И ЕЕ КОМПОНЕНТОВ Эколого-экономическая система – это ограниченная определенной территорией часть техносферы, в которой природные, социальные и производственные структуры и процессы связаны взаимоподдерживающими потоками вещества, энергии и информации (Акимова, Хаскин, 1999–2000). В инженерной экологии довольно широко употребляется понятие «природно-техногенный комплекс» (ПТК), или «природно-техническая система» (ПТС), под которой понимают совокупность природных и искусственных объектов, сформировавшуюся на какой-то территории в результате строительства и эксплуатации промышленных комплексов, инженерных сооружений и технических средств, взаимодействующих с компонентами природной и социальной среды (Стадницкий, Родионов, 1997). ЭЭС представляют собой сочетание совместно функционирующих экологической и экономической систем, обладающих эмерджентными свойствами. Экосистема – это совокупность живых организмов, так взаимодействующих со средой обитания, что поток энергии создает устойчивую структуру и круговорот веществ между живой и неживой частями системы. Экономическая система – это организованная совокупность производительных сил, которая преобразует входные материально-энергетические потоки природных и производственных ресурсов в выходные потоки предметов потребления и отходов производства. Таким образом, часть материальных элементов экологической системы, в том числе и элементов среды обитания человека, используется как ресурс экономической системы (Акимова, Кузьмин, Хаскин, 2007).

Схема основных материальных потоков в ЭЭС Вход производства Продукция Эффективность производства Потребление Поток изъятия ресурсов Сумма отходов экономической подсистемы Общая отходность производства Ущерб от загрязнения

C = РC + Ci + Cn Un = Cn + Rn W = Wh + Wc Um = LM Р = РC + РE Rр = Ri + Rn

Сумма U = Un + Um представляет собой общий убыток экологической подсистемы, обусловленный ее взаимодействием с экономической подсистемой. Соотношение между промежуточными и конечными потоками загрязнений и их совокупный ущерб зависят не только от их массы и химического состава, но и от видового состава, биомассы, плотности реципиентов, продуктивности и устойчивости экосистемы, в частности, по отношению к техногенным воздействиям. Эти качества в наибольшей мере зависят от входного потока обновления биогеохимического круговорота Ii, его продуктивной емкости Nr и масштаба деструкции D. Круговороты обеих подсистем ЭЭС образуют вместе своего рода технобиогеохимический круговорот, а всю ЭЭС можно обозначить как технобиогеоценоз. Потокам вещества в ЭЭС могут быть приписаны константы равновесия и скорости, что позволяет осуществить кинетический анализ системы и выявить условия ее уравновешивания и стабильности. Так, аппроксимация принципа сбалансированности в терминах рассмотренной системы имеет вид: Rn + Cn + LKW = U  Ii + Wa – D Это означает, что в сбалансированной эколого-экономической системе совокупная антропогенная нагрузка не должна превышать самовосстановительного потенциала природных систем.

Для экосферы и ее частей - биомов, регионов, ландшафтов, т.е. более или менее крупных территориальных природных комплексов, включая и административные образования, основным критерием экологической безопасности может служить уровень эколого-экономического, или природно-производственного паритета, т.е. степени соответствия общей техногенной нагрузки на территорию ее экологической техноемкости - предельной выносливости по отношению к повреждающим техногенным воздействиям. Введем основной критерий безопасности и связанные с ним понятия: U  Tэ U - природоемкость производственного комплекса территории, т.е. совокупность объемов хозяйственного изъятия и поражения местных возобновимых ресурсов, включая загрязнение среды и другие формы техногенного угнетения реципиентов, в том числе и ухудшение здоровья людей; Тэ - экологическая техноемкость территории (ЭТТ) - обобщенная характеристика территории, отражающая самовосстановительный потенциал природной системы и количественно равная максимальной техногенной нагрузке, которую может выдержать и переносить в течение длительного времени совокупность всех реципиентов и экологических систем территории без нарушения их структурных и функциональных свойств.

Экологическая техноемкость территории является только частью полной экологической емкости территории. Последняя определяется: а) объемами основных природных резервуаров - воздушного бассейна, совокупности водоемов и водотоков, земельных площадей и запасов почв, биомассы флоры и фауны; б) мощностью потоков биогеохимического круговорота, обновляющих содержимое этих резервуаров, - скоростью местного массо- и газообмена, пополнения объемов чистой воды, процессов почвообразования и продуктивностью биоты. Если трем компонентам среды обитания - воздуху, воде и земле (включая биоту экосистем и совокупность реципиентов) приписать соответственно индексы 1, 2 и 3, то ЭТТ может быть приближенно вычислена по формуле: 3 Tэ = å Еi . Хi .i i = 1 где Tэ - оценка ЭТТ, выраженная в единицах массовой техногенной нагрузки (усл.т/год); Еi - оценка экологической емкости i-ой среды (т/год); Хi - коэффициент вариации для естественных колебаний содержания основной субстанции в среде; i - коэффициент перевода массы в условные тонны (коэффициент относительной опасности примесей - усл.т/т).

Экологическая емкость каждого из трех компонентов среды рассчитывается по формуле: Е = VCF, где V - экстенсивный параметр, определяемый размером территории, площадь или объем ( км2, км3); С - содержание главных экологически значимых субстанций в данной среде (т/км2, т/км3); например СО2 в воздухе или плотность распределения биомассы на поверхности земли; F - скорость кратного обновления объема или массы среды (год-1). Для отдельных экологических систем главными критериями безопасности выступают целостность, сохранность их видового состава, биоразнообразия и структуры внутренних взаимосвязей. От этого зависит стабильность трофических связей, внутренних взаимодействий между структурными компонентами экосистемы и ее продуктивность. Критерием безопасности (устойчивости) отдельной популяции в составе экосистемы может служить выражение: sr  2r, где r - репродуктивный потенциал, sr - дисперсия его отклонений от среднего уровня. При sr > 2r резко возрастает вероятность деградации и вымирания популяции.

Общая схема контроля загрязнения окружающей среды 1–5 – этапы воздействия и откликов; А – уровень процессов; Б – уровень контроля и коррекции; В – уровень оценок и принятия решений; Г – уровень нормативов. Минимальный контур практического регулирования обозначен светлыми стрелками

Схема пути загрязнителя с указанием пунктов стандартизации и контроля (по Т. А. Акимовой, А. П. Кузьмину, В. В. Хаскину, 2007)

Структура банка эколого-экономической информации в системе управления эколого-экономической системой (по Т. А. Акимовой, А. П. Кузьмину, В. В. Хаскину, 2007)