Экологические проблемы по вине человека

Воздействие человека на биосферу Земли в настоящее время привело к возникновению общих экологических проблем, имеющих общепланетное значение. Кратко рассмотрим наиболее важные из них.

Проблема озонового экрана

Озоновый экран располагается между тропосферой и стратосферой и защищает поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения, губительного для всего живого. В озоновом экране содержание озона имеет определенное значение, уменьшение концентрации озона снижает эффект его положительного воздействия. В последнее время появились «озоновые дыры» — области в озоновом экране, обладающие пониженным содержанием озона. Такие «дыры» были обнаружены над Северным и Южным полюсами Земли, причем, вторая «дыра» по размерам значительно превышает первую. Над Антарктидой площадь «озоновой дыры» составляет 22 млн. км². Размеры «дыр» колеблются — летом увеличиваются, а зимой — уменьшаются. В России «озоновые дыры» зафиксированы над Якутией, Республикой Коми, в районе Дальнего Востока. Обнаружено, что через «озоновые дыры» ультрафиолет проходит практически не ослабляясь.

Как показали исследования последних лет, «озоновые дыры» являются результатом действия антропогенных факторов и связаны с выбросом в атмосферу Земли веществ, разрушающих озон. Озон разрушают многие вещества: вода (в парах), оксиды азота (М₂O, NO, КO₂), оксид хлора (II) — СIO.

В нижних слоях стратосферы озон образуется из атомарного и молекулярного кислорода по уравнению

O₂ + O = O₃

Атомарный кислород получается из молекулярного под действием излучений:

O₂ + квант энергии → 2O (атомарный кислород)

Для образования необходимого количества озона важно такое сочетание условий, при которых температура должна быть относительно невелика, а концентрация атомарного кислорода достаточна для оптимального течения процесса.

Содержание озона зависит от наличия в атмосфере различных примесей. Так, наличие паров воды выше критической концентрации приводит к связыванию атомарного кислорода по схеме:

Н₂O (пар) + О 2OН° (радикалы).

Атомарный кислород поглощается и при взаимодействии с оксидом азота(IV):

NO₂ + О → NO + O₂

Содержание озона уменьшается и за счет реакции взаимодействия оксида азота (II) и O₃:

NO + O₃ = NO₂ + O₂

В последнее время установлено, что большую роль в разрушении озона играет атомарный хлор (Сl°), который образуется при фотохимическом разложении фреонов (фторхлорпроизводных, используемых как хладореагенты и вещества для получения аэрозолей; примеры фреонов: СFСl₃, СF₂Сl₂ — фреон-12 и др.).

Фотохимический распад фреонов:

СFСl₃ + квант энергии → СFСl2* +Сl*

Атомарный хлор реагирует с озоном:

Сl* + O₃ = СlO (оксид хлора (II)) + O₂

Оксид хлора (II) может взаимодействовать и с атомарным кислородом, и с озоном:

СlO + О = Сl* + O₂; СlO + O₃ = Сl* + 2O₂ и т. д.

Исследование вклада тех или иных процессов в разрушение озонового экрана показывает, что роль хладоагентов (фреонов) очень велика. Эти соединения, несмотря на свою высокую молярную массу, могут подниматься с турбулентными потоками воздуха в верхние слои атмосферы и вступать в описанные выше процессы.

Определенная роль в разрушении озонового экрана принадлежит и воздействию сверхзвуковых самолетов и запуску искусственных спутников Земли. Важно отметить, что необходима деятельность человека, направленная на уменьшение отрицательного воздействия на озоновый экран. В частности, проводятся исследования по замене фреонов другими соединениями, обладающими (эксплуатационными) свойствами фреонов, но не разрушающими озоновый экран. Кроме того, необходимы действия, позволяющие снизить поступление в атмосферу оксидов азота, которые помимо отрицательного действия на озоновый экран способствуют образованию кислотных дождей и обладают отравляющим действием на организм человека.

Проблема кислотных дождей

Дожди, вода которых имеет кислотную среду (рН < 6), называются кислотными.

Водородный показатель (рН) — это величина, в которой кислотность или щелочность выражается в единицах или долях единицы, отражая концентрацию ионов водорода. Если рН = 7, то среда нейтральная, рН до 6 определяет слабокислую среду, рН меньше 6 (от 5,9 до 1) — кислую и сильнокислую среду, рН до 8 — слабощелочную, а выше 8 и до 14 — щелочную или сильнощелочную среду.

Растения и животные нормально функционируют в нейтральной, слабокислой и слабощелочной среде, при этом для каждого организма характерна наиболее оптимальная величина рН, отклонения от которой угнетают организм, вызывают его заболевания, а также могут привести к гибели.

Кислотные дожди возникают за счет растворения в дождевой воде кислотных оксидов, хлора, хлороводорода, поступающих в атмосферу из разных источников. При сжигании топлива, содержащего сложные смеси органических веществ, выделяется оксид серы (IV) — сернистый газ, который при растворении в воде образует сернистую кислоту. Сернистая кислота под влиянием кислорода воздуха и катализаторов, которыми могут быть оксиды азота, превращается в одну из самых сильных и опасных кислот — серную кислоту. Оксиды азота — монооксид и диоксид — в присутствии кислорода воздуха реагируют с водой, образуя азотную кислоту, также являющуюся сильной кислотой. Попадающий в атмосферу хлороводород, растворяясь в воде, образует сильную соляную кислоту. Хлор может взаимодействовать с водой, образуя соляную и хлорноватистую кислоты.

Наибольший вред наносят кислотные дожди наземным растениям и организмам озер, прудов, рек, так как уменьшение рН приводит к угнетению жизнедеятельности рыб (при рН = 5,5), а при рН = 4,5 прекращается размножение рыб. Попадая на кислые почвы, кислотные дожди увеличивают их кислотность и способствуют гибели живущих в почве растений и животных. Однако почвы основного характера нейтрализуют кислотные дожди.

Для решения проблемы кислотных дождей необходимо изменить технологию сжигания топлива и улавливания кислых газов, над чем работают современные ученые в области технологии и экологии.

Проблема диоксиновой опасности

Диоксиновая опасность связана с попаданием в природную окружающую среду самых ядовитых веществ, когда-либо синтезированных человеком — соединений типа диоксинов. Это достаточно большая группа химических соединений, представляющих собой трициклические кислородсодержащие вещества, в которых атомы кислорода входят в состав циклической структуры. Классическим диоксином считается 2,3,7,8-тетрахлордибензолпарадиоксин, являющийся самым токсичным среди известных диоксинов.

Диоксины токсичнее, чем синильная кислота и ее соли — цианиды (например KCN). Они очень устойчивы и почти не разлагаются в природной среде и период их полураспада составляет 10-12 лет (в организме человека 6-8 лет). Попав в окружающую среду, диоксины включаются в пищевые цепи (сети) и накапливаются в них.

Токсичность диоксинов связана с тем, что они оказывают воздействие на рецепторы живых организмов, подавляя их жизненные функции, изменяя направление этих функций. Так, под влиянием диоксинов возможно рождение детей-уродов, появляются психические нарушения, возникают раковые опухоли, происходит расстройство иммунной системы, т.е. диоксины являются «химическим» СПИДом. Предельно допустимые количества потребления диоксинов составляют от 0,066 до 10 пг (1 пг (пикограмм) = 10^-12 г) в сутки. Содержание диоксинов в воде не должно превышать 20 пг/л.

Диоксины плохо растворяются в воде, но растворимость их в жирах довольно велика. Они являются побочными продуктами при получении хлорпроизводных ароматических соединений, например трихлорфенола, а также некоторых гербицидов. Обнаружили диоксины и в отходах металлургической, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности. Диоксин присутствует в любой бумаге, так как целлюлозную массу хлорируют для отбеливания. Образуются диоксины и при сжигании мусора в мусоросжигательных печах, при сжигании мусора на свалках и ТЭЦ. Есть диоксины и в табачном дыме. Диоксины могут попадать в окружающую среду во время аварий на различных предприятиях. Так, в 1990 г. в Уфе ливневые стоки смыли отходы Уфимского ПО «Химпром», что привело к появлению в воде реки Белой фенола и диоксинов, которые через некоторое время обнаружили в Волге.

Для решения диоксиновой проблемы требуется разработка мер, препятствующих образованию данной группы соединений. Так, необходимо исключить применение хлора в целлюлозно-бумажной промышленности, разработать технологию переработки мусора, при которой не образуется диоксинов и т. д.

Проблема химического оружия и его уничтожения

Химическое оружие — это применение химических соединений для поражения сил противника, основанное на разных механизмах действия (это один из самых варварских способов ведения боевых действий). Впервые химическое оружие было применено в Первой мировой войне. Широко использовалось химическое оружие и во Второй мировой войне. В период «холодной войны» арсенал химического оружия пополнился новыми образцами эффективных токсических (ядовитых) соединений. В настоящее время ставится задача уничтожения запасов химического оружия, что привело к возникновению острейших экологических проблем.

По воздействию на организм различают вещества кожно-нарывного, общетоксического (иприт, люизит), нервнопаралитического действия (зарин, зоман), раздражающие и удушающие вещества («черемуха», газ-У). Существуют также вещества комплексного действия. Были разработаны и нетрадиционные виды химического оружия (гербицидное, диоксиновое и т.п.).

По устойчивости отравляющие вещества разделяют на стойкие (иприт, люизит) и нестойкие (синильная кислота, фосген и др.).

Вещества, применяемые как химическое оружие, относительно нестойки, подвергаются саморазложению и должны быть малоопасны. Но даже самый «легко дегазируемый» зарин как опасное вещество проявляет себя через 20 лет. Крайне опасен иприт, являющийся эффективным мутагеном, — одной молекулы иприта достаточно, чтобы вызвать мутацию, действие иприта как мутагена может проявиться через 40 поколений.

Экологическая роль люизита аналогична иприту, но она усугубляется тем, что экологически опасны и продукты его разложения, так как они содержат мышьяк.

Очень сложны проблемы уничтожения химического оружия. Затопление, закапывание этих веществ не ликвидирует опасности этих соединений, так как при их разложении могут образовываться экологически опасные вещества. Сжигание зачастую также малоэффективно, если не разработать технологию улавливания вредных соединений (например соединений мышьяка). Тем не менее эти проблемы необходимо решать, и над их разрешением работают современные ученые-химики, экологи, технологи.

Проблема пестицидов (ядохимикатов)

Пестицидами (ядохимикатами) называют вещества, которые применяются для уничтожения тех или иных организмов.

Пестициды имеют сложную классификацию по целям и областям использования, химическому составу и другим признакам. Ниже приведены некоторые группы пестицидов.

1. Антигельминты — средства борьбы с гельминтами (червями).
2. Афициды — применяются для борьбы с тлями.
3. Бактерициды — средства борьбы с бактериями.
4. Гербициды — средства борьбы с сорными растениями
5. Дефолианты — вещества, удаляющие листья растений.
6. Зооциды — химические средства для борьбы с грызунами.
7. Инсектициды — средства для борьбы с насекомыми.
8. Протравители семян — вещества для предпосевной обработки семян с целью борьбы с бактериальными и грибковыми заболеваниями.
9. Регуляторы роста растений — химические соединения, регулирующие развитие и рост растений.
10. Фунгициды — средства борьбы с паразитическими грибами.

Пестициды являются эффективными средствами борьбы с вредителями сельского хозяйства и повышают урожай культурных растений. Затраты на пестициды легко и быстро окупаются, что является экономической основой их применения. Однако, несмотря на высокий экономический эффект, необходимо учитывать их экологическое воздействие. Было обнаружено, что некоторые из применявшихся пестицидов плохо «усваиваются» окружающей средой (т. е. практически не разлагаются в течение длительного времени и сохраняют свои ядовитые свойства). Пестициды попадают в пищевые цепи и накапливаются в организмах животных и растений, а затем негативно воздействуют на организмы, в которые они попадают с пищей. Так, было запрещено использование ДЦТ — вещества, являющегося одним из лучших зооцидов. Значительное применение дефолиантов в Узбекистане привело к нарушениям в природных экологических процессах и нанесло вред природной окружающей среде.

В настоящее время ставится задача оптимизации в использовании пестицидов, замены химической борьбы с вредителями сельского хозяйства на биологические формы борьбы, применения более «мягких» пестицидов, разработки технологии таких соединений, которые легко разлагаются при обычных условиях и имеют малые периоды полураспада.

Проблема изменения климата

В результате бытовой и производственной деятельности человека атмосфера подвергается тепловому загрязнению, а также загрязнению различными химическими соединениями, препятствующими тепловому излучению с поверхности Земли. Это может привести к потеплению, что в свою очередь будет способствовать растоплению ледников и повышению уровня Мирового океана.

Одновременно с этим возможно и противоположное воздействие: повышается запыленность атмосферы, препятствующая прониканию солнечных лучей, в том числе и инфракрасных, что способствует похолоданию. Похолоданию способствует и вырубка лесов, опустынивание поверхности Земли за счет того, что повышается тепловое излучение с «голой поверхности»: зеленые растения леса обладают меньшей способностью отражать солнечные лучи (они их поглощают), чем поверхность пустынь и степей. Рассмотрим характеристику двух этих тенденций антропогенного воздействия на климат планеты.

Потеплению климата на Земле способствует парниковый эффект, сущность которого состоит в том, что атмосфера поглощает тепловые лучи, а отдача тепла в мировое пространство затруднена.

Веществами, способствующими проявлению теплового эффекта, являются вода, углекислый газ, метан, оксиды азота, серы, фреоны. Наибольший вклад в этот эффект вносит углекислый газ, так как за счет производственной деятельности человека концентрация этого газа постоянно увеличивается. Экспериментально было установлено, что с 1850 по 1978 гг. концентрация СO₂ возросла от 0,027 до 0,033% (по объему) и продолжает расти. Предполагается, что к 2010 г. она составит 0,04-0,05%. Рост концентрации оксида углерода (IV) связан как с антропогенной деятельностью (сжигание большого количества топлива для получения различных видов энергии), так и с природными явлениями — сгорание органических веществ при пожарах и выделение этого газа при дыхании. Однако обнаружено, что концентрация СO₂ растет медленнее, чем это следует из прогнозов, что объясняется интенсификацией процессов фотосинтеза при повышенных концентрациях СO₂. Другим фактором, приводящим к связыванию СO₂, является поглощение этого газа водами океана и образование нерастворимых карбонатов, которые включаются в осадочные породы. Тем не менее проблема увеличения содержания углекислого газа в атмосфере существует и необходимо решать задачу улавливания этого газа и его использования в сфере народного хозяйства.

Парниковый эффект нейтрализуется процессами, способствующими похолоданию климата. К ним относят процессы опустынивания больших территорий поверхности Земли за счет нерациональной вырубки лесов, особенно тропических, а также лесов тайги на территории России.

Похолоданию способствует и рост запыленности атмосферы за счет попадания в ее верхние слои туманнобразной серной кислоты (образуется при окислении водных растворов сернистого газа кислородом воздуха), а также твердых мелкоизмельченных (тонкодисперсных) частиц, поднимающихся в атмосферу при смерчах, пылевых бурях, извержениях вулканов и т. д.

Парниковый эффект и процессы, ведущие к похолоданию, в некоторой степени нейтрализуют друг друга, но равновесия не наблюдается, поэтому при реализации производственной деятельности необходимо учитывать возможные эффекты, вызывающие загрязнение биосферы и приводящие к изменениям климата.

Проблема рационального использования удобрений

Удобрениями называют вещества, содержащие питательные элементы в усвояемой растениями форме, внесение которых или в почву, или в форме подкормок приводит к повышению урожайности культурных растений.

По происхождению различают органические, неорганические удобрения и органоминеральные смеси. По составу удобрения разделяют на азотные, калийные, фосфорные, смешанные и комплексные. По количеству питательного элемента, который необходим растению, удобрения разделяют на макроудобрения (нужны организму в больших количествах — азотные, фосфорные, калийные) и микроудобрения (необходимы растению в очень малых количествах — это соединения, содержащие медь, железо, марганец, йод и т. д.).

Удобрения только тогда будут эффективными, когда их использование будет оптимальным — нельзя вносить ни малые, ни очень большие дозы удобрений. Кроме того, большое значение имеют сроки и способы внесения удобрений. Технологию применения удобрений разрабатывают ученые в области сельского хозяйства, реализуют — агрономы и работники, занятые в сфере сельскохозяйственного производства. Было обнаружено, что азотные удобрения способствуют получению большой массы урожая, однако избыточное внесение азотных удобрений (как аммонийных, так и нитратных) приводит к получению экологически некачественной продукции — она содержит нитратный азот, оказывающий вредное воздействие на человека, и при определенных концентрациях нитратов такая продукция вызывает отравления, в ряде случаев приводящие к смерти.

Токсичность (ядовитость) нитратов проявляется следующим образом.

1. Первичная токсичность связана с воздействием собственно нитрат-ионов (NO^—₃), при котором происходит угнетение процессов в дыхательной цепи, разобщение процессов окисления и фосфорилирования, нарушение обмена углеводов. Эта токсичность относительно невелика, больший вред приносят другие виды токсичности, связанные с превращением нитрат-ионов в организме человека и теплокровных животных.

2. Вторичная токсичность связана с превращением нитрат-ионов в нитрит-ионы (NO^—₂). Нитрит-ионы взаимодействуют с дыхательным пигментом — гемоглобином, который превращается в метгемоглобин (в гемоглобине содержится железо в форме Fе²⁺, а в метгемоглобине — в виде Fе³⁺). Метгемоглобин, в отличие от гемоглобина, не способен взаимодействовать с O₂ и переносить его к клеткам тела, т. е. происходит нарушение процессов дыхания, а это приводит к появлению головных болей, головокружениям, рвоте, снижению артериального давления и может даже возникнуть коматозное состояние.

3. Третичная токсичность нитратов связана с дальнейшими превращениями нитрит-ионов в нитрозосоединения, многие из которых обладают канцерогенными свойствами (способны вызывать раковые заболевания).

Нитраты, попавшие в организм, выводятся из него в течение 4-12 часов на 50-80% (в зависимости от возраста — у молодых больше, у пожилых — меньше). Все рассмотренные превращения могут происходить в кишечном тракте и в крови. Соединения азота в организм животного могут поступать как в виде нитратов, так и в виде нитритов и вследствие их инородности для организма они, внесенные в повышенных дозах, вызывают отравление.

Следует отметить, что организмам растений неорганические соединения азота не приносят вреда, так как они необходимы для процессов синтеза азотсодержащих соединений. Но наличие избытка азотных соединений приводит к тому, что растения накапливают их в себе, и если такие растения попадают в качестве пищи в организм теплокровного животного или человека, то они вызывают их отравление.

Избыточное количество неорганических соединений азота (нитратов, нитритов) может накапливаться не только в результате избыточного внесения неорганических азотных удобрений (селитр, аммонийных соединений), но и органических удобрений (навоза, гуано и др.).

Экологически опасным является избыточное внесение и других макроудобрений — фосфорных, калийных. Эти удобрения (в их числе и азотные) попадают в виде сточных, грунтовых и дождевых вод в водоемы и вызывают явление, называемое «эвтрофикацией» (бурное развитие растительности водоема, особенно фитопланктона, а также взвешенных в толще поверхностных вод микроскопических водорослей).

Эвтрофикация сопровождается интенсивным поглощением кислорода и выделением большого количества сероводорода и аммиака, что ведет к гибели рыб и других животных, в таких водоемах вода становится непригодной для питья и даже для купания.

Избыточное внесение различных удобрений не только приводит к получению некачественной продукции, загрязняет окружающую среду, но и увеличивает расходы на получение единицы продукции. Все это требует более рационального использования удобрений и оптимизации технологии их внесения.

Кроме рассмотренных выше экологических проблем, связанных с действием антропогенных факторов, существуют и другие проблемы, например:

1. биологические проблемы, связанные с деградацией и сокращением лесов, пастбищ, запасов рыбы и пушнины;
2. экологические проблемы, связанные с загрязнением основных компонентов биосферы (атмосферы, гидросферы и литосферы);
3. почвенно-геоморфологические проблемы, состоящие в процессах эрозии почв, оврагообразования, засоления и иного загрязнения почвенного покрова;
4. земельные проблемы, связанные с нерациональным землепользованием, урбанизацией, истощением недр, нерациональным их использованием и добычей полезных ископаемых;
5. ландшафтные проблемы, связанные с ухудшением и потерей природно-рекреационных качеств ландшафтов из-за нерациональной их эксплуатации, а также целый ряд других проблем, не указываемых и не рассматриваемых в данном пособии.

Все изложенное выше делает необходимым изучение основ промышленной экологии, влияния антропогенных факторов и производственной деятельности человека (составной части антропогенного воздействия на природу) на природную окружающую среду, а также основ и принципов природоохранной деятельности.