Экология: проблемы и решения

Важнейшим вопросом химической экологии является антропогенное загрязнение  химическими веществами окружающей среды.

В течение длительной эволюции живые  организмы хорошо приспособились к  условиям природной среды, научились использовать тепло, влагу, различные минеральные вещества, содержащиеся в атмосфере, гидросфере, почве. Так, в почве обитает множество различных организмов: бактерии, почвенная микрофауна, грибы, корневая система высших растений, некоторые животные (черви, личинки и т. д.). Все эти организмы выполняют работу по преобразованию мертвых органических остатков в минеральные соединения, которые усваиваются растениями.

В лесах важным источником поступления  органических веществ в почву  является подстилка из опавших листьев: ею питаются организмы, разрушающие структуру отмерших растений — это некоторые бактерии, грибы и животные, питающиеся органическими остатками отмерших животных, растений.

В современном мире геохимический  облик биосферы определяет человек. Так за последние 10–15 лет XX столетия синтезировано порядка четырех миллионов новых химических соединений. Ежегодно производится порядка 30 тысяч видов химических веществ.

Человек способствует усилению и вовлечению в хозяйственную деятельность различные химические соединения, а это увеличивает количество этих соединений в атмосфере, почве, воде и концентрация этих химических соединений может превышать допустимые нормы: предельно-допустимые концентрации (ПДК) в десятки и сотни раз.

Антропогенное загрязнение атмосферы. Жизнь на Земле всегда сопровождалась природным загрязнением атмосферы, которое связано с различными испарениями, вулканизмом, дегазацией глубинных расплавов (магм) и растворов.

Антропогенное загрязнение атмосферы  обусловлено сжиганием всех видов природного топлива, деятельностью металлургических, химических предприятий.

К примеру, в настоящее время  в атмосферу Земли выбрасывается  примерно 20 млрд т углекислого газа, 150 млн т окиси серы (36 млн т  за счет природных источников), до 53 млн т окиси азота (30 млн т природное поступление), миллионы тонн фтористых соединений, ртути, фреонов и других токсичных и вредных ЭВВ.

Основными антропогенными загрязнителями атмосферы являются углекислый и  угарный газы, различные углеводороды, окись серы, окись азота, тяжелые металлы (свинец, цинк, медь, хром, ртуть и др.), различные аэрозоли, фотохимические окислители, озон, метан (от сельскохозяйственной деятельности) и др.

В результате загрязнения атмосферы  может возникнуть “парниковый эффект”, в создании которого участвуют углекислый газ и водяные пары. Необходимо помнить, что углекислый газ играет большое значение в определении температуры на Земле. Так, если из атмосферы Земли убрать углекислый газ, то температура воздуха понизится примерно на 21 ° C, а если удвоить, то температура повысится на 4 ° C.

Основным регулятором углекислого  газа в атмосфере являются океанические воды, которые поглощают углекислый газ, но его погружение в глубины океана происходит очень медленно.

Кроме углекислого газа, на возникновение парникового эффекта оказывают влияние метан, закись азота, фреон и др. “Парниковый эффект” может привести к серьезной “разбалансировке” климата Земли.

В истории Земли известны резкие изменения температур и последствия  таких явлений прогнозируются очень плохо. Но можно предполагать, что глобальное потепление приведет к таянию льдов и подъему уровня океана.

За XX в. выброс углекислого газа в  атмосферу увеличился примерно на 25% и для стабилизации климата Земли  необходимо сократить использование  природного топлива на 60%, которое является основным источником углекислого газа в атмосфере. Если этого не сделать, то использование природного топлива в энергетике в ближайшие 40 лет удвоится, что может привести к глобальным изменениям климата Земли.

Большой вред атмосфере наносит такое токсичное соединение, как угарный газ, источником которого являются металлургия и автотранспорт. Соединения углекислого и угарного газов с гемоглобином крови образуют карбоксигемоглобин, который распадается в 300 раз медленнее оксигемоглобина (соединение кислорода с гемоглобином), в результате гемоглобин крови теряет способность присоединять кислород, что ведет к нарушению процесса дыхания и тяжелому состоянию организма человека: угару и параличу дыхания, т. е. к летальному исходу.

Загрязнение тропосферы оказывает влияние на озоновый слой, защищающий Землю от мощного воздействия ультрафиолетовых лучей. Озоновый слой образуется в тропиках и распространяется в Северном и Южном полушариях благодаря перемещению воздушных потоков. Отмечается, что каждые 10 лет толщина озонового слоя уменьшается на 2%. В последние годы увеличилось проявление озоновых дыр, что объясняется появлением фреона в стратосфере Арктики и Антарктиды. Выделяют две причины нарушения озонового слоя:

использование фреона в промышленных целях;

влияние вулканических  выбросов.

Серьезную проблему представляют кислые дожди, образующиеся в результате выбросов в атмосферу окисей азота, серы и других химических соединений. Источниками таких выбросов являются ТЭЦ, котельные, металлургические, химические производства и др. Смешиваясь с дождевыми облаками, они образуют кислотные соединения и выпадают на поверхность Земли вместе с дождевыми осадками. Кислотные дожди оказывают влияние на морские мелководья, озера, реки, загрязняя водоемы и этим уменьшая количество их обитателей. Отрицательное действие кислые дожди оказывают на растительность, так как кислоты разрушают хлорофилл в листве, хвое (рыжие леса). Кроме того, окиси серы, азота могут выпадать на поверхность Земли с пылью, накапливаться на листьях растений, почве и вместе с росой образовывать сильные кислоты: кислотные росы.

К числу техногенных  загрязнителей атмосферы относятся  тяжелые металлы: свинец, цинк, медь, хром, ртуть и др. Основной вклад вносит свинец, который в больших количествах выбрасывается автотранспортом, что объясняется использованием тетраэтилсвинца для уменьшения детонации в бензиновых двигателях. Автотранспорт выбрасывает в окружающую среду порядка 260 тыс. т свинца. Большой вклад в выбросы свинца вносят природные источники: вулканические выбросы, почвенная силикатная и метеорная пыль, морские солевые аэрозоли и др. (всего естественные источники дают 230 тыс. т).

Попадание свинца в организм человека вызывает:

расстройство  центральной нервной системы (головные боли, утомляемость, ухудшение памяти, эпилептические припадки, нарушения речевой и слуховой функций, параличи, поражение глаз);

изменения состава  крови;

эндокринные и  обменные нарушения;

нарушения работы желудочно-кишечного тракта, сердечно-сосудистой системы и почек.

При сжигании угля в атмосферу с золой и газами поступают магний, молибден, мышьяк, уран, титан, алюминий, йод, кобальт, ванадий, бериллий, цирконий и др. Все эти  химические элементы оказывают сильное  влияние на живые организмы и  человека. В результате роста загрязнения воздуха аэрозолями (пыль, дым) увеличивается количество осадков, туманных дней, уменьшается прямая солнечная радиация и ультрафиолетовое облучение.

Рост автомобильного транспорта в  городе приводит к образованию фотохимического смога, источниками которого являются окислы азота, угарный газ и углеводороды, содержащиеся в выхлопных газах автомобилей. Все это приводит к повышению содержания в приземных слоях озона, относящегося к ядовитым веществам и являющегося сильнейшим окислителем.

Антропогенное химическое загрязнение  гидросферы. При воздействии внешней среды на гидросферу образуется круговорот воды на Земле, который включает:

океаническое  звено — при испарении с поверхности океанических вод влага поступает в атмосферу и в виде осадков выпадает на поверхность Земли, попадая в речные, подземные стоки, а затем вновь в океанические воды;

атмосферное звено, обеспечивающее образование и выпадение  осадков и их распределение на поверхности Земли.

Атмосферная влага, частично стекая с поверхности Земли, пополняет ресурсы поверхностных вод и формирует речную сеть и водоемы.

Поверхностные воды образуют: почвенную влагу, идущую на развитие растений; зону аэрации — это зона, насыщенная воздухом и влагой (находится между земной поверхностью и грунтовыми водами); обильные и устойчивые горизонты, не обладающие напором и образованные грунтовыми водами в рыхлых отложениях долин рек, озерных впадин; артезианские бассейны, обладающие высоким напором (образуются в слоистых толщах осадочных пород).

Использование воды. Существует две категории использования воды — водопользователи и водопотребители.

Водопользователи  используют воду для своей деятельности (транспорт, рыбное хозяйство).

Водопотребители используют воду в целях производственных, технологических и жизнеобеспечения.

В настоящее время потребность  населения Земли в воде составляет 18700 км³, из них 38 % расходуется на ирригацию, 9 % на промышленность, 3% на бытовые нужда, 48% на разбавление сточных вод, и 2% на другие потребности.

Химическое загрязнение  пресных вод. Природная вода обладает способностью самоочищаться, т. е. восстанавливать свои свойства методом окисления и нейтрализации загрязнителей. Водные источники могут принимать неочищенные воды (стоки) до определенных пределов, после чего подавляются свойства воды. И если эти пределы превышены, естественные водоемы превращаются в сточные коллекторы, опасные для жизни человека (Рейн — сточная канава Европы).

Основным потребителем и загрязнителем  пресной воды является сельское хозяйство. Примерно 50% вод относится к безвозвратным, так как остаются в сельскохозяйственной продукции, испаряются растениями, поверхностью почв и водохранилищ и сбрасываются в виде дренажных вод, орошаемых массивов. Эти воды несут соли, частицы почвы, остатки удобрений.

Второе место по загрязнению занимают промышленные и бытовые стоки, нагретые вода ТЭЦ, АЭС, утечка и фильтрация неочищенных вод из отстойников водоочистных сооружений.

Основным мероприятием по защите пресных  вод является их очистка. Все загрязняющие стоки различны по своему физико-химическому составу, что затрудняет их очистку.

Все загрязняющие вещества делятся  на группы: органические вещества сельского  хозяйства, бытовых и промышленных стоков (их окисление происходит под  воздействием кислорода); болезнетворные микроорганизмы и вирусы в плохо обработанных стоках городов и животноводческих ферм; азот и фосфор из бытовых и сельскохозяйственных стоков, что увеличивает содержание нитратов и нитритов в водоемах; тяжелые металлы, нефтепродукты, пестициды, моющие вещества, фенолы. Многие из них не разлагаются или разлагаются очень медленно и через пищевые цепи могут попасть в организм человека; увеличение донных осадков из-за стоков, эрозии почв, что ведет к гибели донных организмов, загрязнению донных илов; сброс теплых вод ТЭЦ, АЭС, промышленных предприятий, что ведет к изменению естественного состояния водоемов за счет потепления вод, а это снижает содержание кислорода, скорость обмена веществ и приводит к изменению водных флоры и фауны.

Существующие методы очистки воды проблемы чистой пресной воды не решают, так как на разбавление сточных вод уходит примерно 20 % ресурсов пресных вод мира. Так, 1 км³ очищенной сточной воды портит 10 км³ речной воды, а значит, качество пресной воды падает. Специалисты считают, что в ближайшие годы загрязнение пресных вод будет продолжаться.

Острой проблемой современности  является нехватка пресной воды. Запас  доступных пресных вод мира, сосредоточенных в реках, озерах, подземных водах на глубине до 1 км, составляет примерно 3 млн км³. Таких запасов сейчас и в будущем хватило бы на нужды 20–25 млрд человек, но вода распределена на Земле неравномерно и уже сейчас люди испытывают дефицит воды. Так, в странах 3-го мира ежегодно умирает от потребления грязной воды примерно 9 млн человек. Примерно 1 млрд человек не имеет необходимого количества воды, и в мире нет механизма ее распределения. Собственно многие конфликты в мире происходят и происходили из-за распределения, владения пресной водой.

В настоящее время существует два  способа создания запасов пресной  воды: искусственное пополнение запасов подземных источников, перевод части поверхностных ресурсов вод в подземные хранилища, что защищает их от загрязнения; дистилляция воды — получение из соленой морской воды пресной, но этот способ очень энергозатратен и требует еще дополнительной обработки воды (нет солей для обеспечения нормальной жизнедеятельности человека, которые необходимо добавлять в дистиллированную воду).

Химическое загрязнение  морских вод. В состав морской воды входят различные соли, газы и органические соединения. В морской воде содержится 55% хлора, 31% натрия и 14 % приходится на другие химические элементы. Из морской воды добывают хлористый натрий, магний, бром, поваренную соль и другие химические элементы и соединения.

В морях постоянно проходит цикл водообмена, т. е. перемешивание поверхностных и глубинных вод, в результате происходит процесс разбавления загрязненных вод. Но ряд морей имеют очень медленный цикл водообмена (Балтийское, Средиземное, Черное, Азовское и бессточные Каспийское и Аральское), поэтому очищение этих морских вод происходит очень медленно.

Загрязнение морских вод происходит в результате дампинга, загрязнений (нефтяными и речными стоками), спецзахоронений, сброса коммунальных и сточных вод, раскисления прибрежных акваторий кислыми дождями.

Дампинг — сброс отходов в морские воды. Ежегодно вывозятся на судах и сбрасываются в океанические воды до 6 млрд т различных промышленных отходов: отстой сточных вод, строительный мусор, старая взрывчатка, жидкие радиоактивные и химические отходы.

Нефтяные загрязнения. Происходят за счет сбросов в океанические воды нефтепродуктов — до 6 млн т/г., являющихся аварийными при транспортировке и добыче нефти в морях. Нефть поступает в морские воды с речными стоками. В результате 2–4 % поверхности Тихого и Атлантического океанов покрыты нефтяной пленкой.

Следует отметить, что при нефтяном загрязнении: изменяется соотношение  биологических видов и их количество, уменьшается разнообразие видов в водоемах; происходит концентрация пестицидов, тяжелых металлов, канцерогенных веществ, оказывающих мутагенное влияние на обитателей морей; нарушается газообмен между атмосферой и морскими водами; изменяются процессы растворения и выделения кислорода, углекислого газа, теплообмена.