Загрязнение воздуха, воды и почвы

 

Техногенез (от греч. Іесһnе - искусство, ремесло, мастерство и gеnеsіs - происхождение, рождение) - длительный период становления средств производства, техники и технологий с целью создания и потребления человеком материальных благ. Техногенез - это порождение техники, последний по времени этап эволюции, обусловленный деятельностью человека и вносящий в биосферу вещества, силы и процессы, которые изменяют и нарушают ее равновесное функционирование и замкнутость биотического круговорота. Также техногенез определяется как происхождение и изменение ландшафтов под влиянием прямо или косвенно действующих техногенных факторов: горных разработок, промышленных, энергетических или сельскохозяйственных предприятий, гидротехнических сооружений, хозяйственного использования лесных массивов и т.п.

Распределение химических соединений между воздухом, водой и почвой происходит в соответствии с их физико-химическими свойствами. При этом факторы окружающей среды играют решающую роль.

Перенос химических соединений на границе раздела п о ч в а - в о д а играет важную роль в процессе загрязнения природных вод. Из почвы загрязнители поступают в воду в результате внесения химических средств защиты растений или их поступления с дождем. Загрязнение может происходить как водой, растекающейся по поверхности почвы, так и почвенными водами. При всех переходах химических продуктов через границу почва - вода основную роль играют процессы адсорбции.

Переход веществ в природных условиях из водной среды в атмосферу называют летучестью. Этот процесс осуществляется в результате диффузии. Обратный переход веществ называют сухим осаждением в воду.

Транспортные процессы между почвой и атмосфеой являются наиболее сложными. Переход вещества из почвы в атмосферу путем диффузии в природных условиях называют летучестью из почвы, а обратный процесс - сухим осаждением в почву.

Любое химическое вещество поглощается и усваивается живыми организмами. Равновесное состояние, или состояние насыщения в процессе усвоения, достигается в том случае, если его поступление и выделение из организма осуществляется с одинаковой скоростью. Установившаяся при этом в организме концентрация называется концентрацией насыщения. Если она выше наблюдающейся в окружающей среде или продуктах питания, происходит обогащение или аккумуляция (накопление) химических соединений в живом организме. Это нежелательный процесс, так как внешние загрязнители оказывают отрицательное воздействие на человека и другие живые организмы.

Процессы аккумуляции химических веществ водными и наземными живыми организмами характеризуются такими показателями, как:

v биоконцентрирование - обогащение организма химическим соединением в результате прямого восприятия из окружающей среды без учета загрязнения им продуктов питания;

v биоумножение - обогащение организма химическим соединением непосредственно в результате питания. В природной водной среде этот процесс идет одновременно с биоконцентрированием;

v биоаккумуляция - обогащение организма химическим веществом путем его поступления из окружающей среды и пищевой продукции.

По данным зарубежных исследователей, в зависимости от условий проживания 30...80% из общего количества чужеродных химических веществ поступает из окружающей среды в организм человека с пищей.

Важность проблемы загрязнения воздуха, воды и почвы обусловлена следующим:

v количество вредных веществ, поступающих в атмосферу, воду и почву в результате антропогенной деятельности человека, неуклонно возрастает;

v чужеродные загрязнители распространяются в атмосфере, воде и почве весьма неравномерно, и в некоторых районах их концентрация уже достигла размеров, угрожающих здоровью человека;

v многие вещества, попадая через пищевые цепи и системы в продукты питания, могут оказывать вредное действие на человека и животных даже в очень малых концентрациях – на уровне тысячных и десятитысячных долей миллиграмма на I м² почвы или на 1 м³ воздуха и воды.

Воздушная среда. Контролировать ее чистоту позволяет комплекс стандартов на уровень загрязнения воздуха.

Основным источником загрязнения атмосферного воздуха является сжигание различного топлива (угля, нефти, газа и т.п.).

При неполном сгорании топлива в атмосферу поступают твердые частицы - сажа, диоксид серы, оксид углерода, диоксид азота и др. Загрязнение атмосферного воздуха при сжигании топлива зависит от его вида, особенности горения, а также от очистки выбросов.

Соединения серы поступают в воздух в основном при сжигании богатых серой таких видов топлива, как уголь и мазут. На диоксид серы приходится 95% выбросов серосодержащих веществ в атмосферу. Диоксид серы постепенно окисляется кислородом воздуха до сернистого ангидрида. Образовавшийся сернистый ангидрид сразу же реагирует с водяным паром, образуя серную кислоту, которая присутствует в воздухе в виде легкого тумана, состоящего из мельчайших капель. Этот туман обладает высокой корродирующей способностью и разъедает многие материалы, в том числе такие, как мрамор и известь. При взаимодействии с парами воды диоксид серы образует сернистую кислоту, которая, реагируя с кислородом воздуха, переходит в серную, формирующую кислотные дожди.

При сжигании топлива выделяются оксиды кальция и железа. Они вступают в реакцию с серной кислотой с образованием частиц сульфатов кальция и железа.

Наибольшую опасность кислотные осадки представляют при их попадании в водоемы и почву, что приводит к уменьшению рН воды. От значения рН зависит растворимость алюминия и тяжелых металлов в воде и, следовательно, их накопление в клубне- и корнеплодах, а затем в организме человека. При изменении рН воды меняется структура почвы и ухудшается ее плодородие. Снижение рН питьевой воды способствует прямому поступлению в организм человека тяжелых металлов и мышьяка. Особенно пагубно воздействие подкисленной воды на популяции рыб, даже относительно небольшие отклонения от нейтрального рН вызывают замедление роста или гибель молоди.

Высокое содержание оксидов серы в воздухе непосредственно влияет и на увеличение заболеваемости людей и даже на рост смертности. В Республике Беларусь установлена среднесуточная предельно допустимая концентрация для диоксида серы 0,05 мг/м³.

Автомобильный транспорт в настоящее время является главным источником загрязнения атмосферного воздуха, на его долю приходится свыше 70% валовых выбросов. Установлено, что в выхлопных газах содержится более 200 различных химических веществ, в том числе тяжелые металлы.

Вследствие неполного сгорания углерода в моторном топливе в воздух попадает свыше 90% оксида углерода. При вдыхании оксида углерода снижается кислородная емкость крови, появляются сонливость, головокружение, одышка, затруднение дыхания, судороги, может наступить смерть в результате паралича дыхательного центра. Предельно допустимая среднесуточная концентрация оксида углерода в атмосферном воздухе составляет 3,0 мг/м³. В атмосферном воздухе также контролируется аналогичный показатель для диоксида азота и фтороводорода, который составляет 0,04 мг/м³ и 0,005 мг/м³ соответственно.

Особым типом загрязнения атмосферы является смог (от англ. smоkе - дым, fog - туман) - фотохимический туман, который образуется в воздухе при взаимодействии разных органических веществ, поступающих с выхлопными газами автотранспорта. В основе этого загрязнения, приводящего к образованию тумана, лежит реакция углеводородов с диоксидом азота и некоторыми другими веществами под действием солнечного излучения. Наиболее часто смог образуется в атмосфере сильно загрязненных городов.

Сельское хозяйство также является существенным источником загрязнения атмосферного воздуха. При обработке участка пестицидами возможен унос частиц. При наземном опрыскивании пестициды в воздухе рассеиваются на расстояние до 400 м, а при использовании самолетов атмосферный воздух может загрязняться на расстоянии от 5 до 20 км.

Одним из основных источников загрязнения атмосферного воздуха являются промышленные предприятия. Качественный и количественный состав выбросов зависит от вида производства, мощности организации, технологического процесса, культуры производства, наличия и состояния устройств для очистки вредных выбросов и пр. Вентиляционные выбросы организаций электронной промышленности содержат пары плавиковой, серной, хромовой и других минеральных кислот, органических растворителей. Насчитывается свыше 500 вредных веществ, загрязняющих атмосферу, и их количество увеличивается.

Высокие концентрации примесей и их миграция в атмосферном воздухе приводят к образованию еще более токсичных соединений, попадающих через пищевые цепи и сети в продукты животного и растительного происхождения, или создают такие явления, как «парниковый эффект» и разрушение озонового слоя.

На протяжении трех последних десятилетий количество диоксида углерода в атмосфере постоянно увеличивается. Под влиянием теплового воздействия диоксида углерода в ближайшие 100 лет средняя температура окружающей среды может повыситься на 2,5 °С, так как СО2 в атмосфере задерживает инфракрасное излучение земной поверхности в области длин волн от 12 до 18 мкм, в которой находится максимум излучения Землей энергии во Вселенную.

Техногенные загрязнения атмосферы не ограничивают свое негативное влияние только приземной зоной. Определенная доля примесей поступает в озоновый слой и разрушает его. Разрушение озонового слоя опасно для биосферы, так как оно сопровождается значительным повышением доли ультрафиолетового излучения с длиной волны менее 290 нм, достигающего земной поверхности. Это излучение губительно для растений, особенно для зерновых культур, и представляет собой источник канцерогенной опасности для человека.

С развитием микробиологической промышленности увеличилась возможность попадания в атмосферу спор микроскопических грибов и жизнеспособных дрожжевых клеток.

Водная среда. Одна из серьезнейших проблем современности - загрязнение Мирового океана, рек и грунтовых вод. Мировое суммарное потребление воды в течение прошлого столетия увеличилось примерно в 10 раз (62,5% воды потребляется сельским хозяйством, 26,9 - промышленностью, 10,6% - городским хозяйством). Продолжающееся существенное загрязнение Мирового океана, принимающего в себя все поверхностные воды Земли, происходит из-за сброса в него сточных вод, объем которых составляет более 700 млрд м³ в год.

Кроме загрязнения водоемов различными вредными веществами, поступающими в них со сточными водами, происходит гак называемое тепловое загрязнение водоемов, вызываемое сбросом в них теплой воды в результате работы тепловых электростанций, в частности атомных. Это приводит к «цветению» воды, уменьшению растворимости в ней газов, в том числе кислорода, изменению физических и химических свойств.

 

Таблица 1. Классификация качества поверхностных вод

 

Степень загрязнения вод	Индекс загрязнения вод	Класс качества вод
Чистые	Меньше или равен 0,3	I
Относительно чистые	Больше 0,3...1,0	II
Умеренно загрязненные	Больше 1,0...2,5	III
Загрязненные	Больше 2,5...4,0	IV
Грязные	Больше 4,0...6,0	V
Очень грязные	Больше 6,0... 10,0	VI
Чрезвычайно грязные	Больше 10,0	VII

 

Министерством природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Беларусь проведена оценка качества поверхностных вод по гидрохимическим показателям водных объектов республики, на основании которой разработана классификация качества поверхностных вод (табл. 1).

К классу I относятся водные объекты, которые используются для хозяйственно-питьевого назначения или для водоснабжения организаций пищевой промышленности. К классу II - водные объекты для коммунально-бытового водопользования (спорт, купание). В 2009 г. в Беларуси вода коммунальных водопроводов в 18,4% случаев не соответствовала по санитарно- химическим показателям предъявляемым требованиям.

Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) в 1972 г. приняты международные нормы качества питьевой воды. Они являются рекомендуемыми, и вопрос их принятия решается каждой страной в отдельности. С корректировкой этих норм предельно допустимые концентрации (ПДК), например, хлоридов составляют 350 мг/л, сульфатов - 400, цинка - 1,0, нитритов - 3,3, аммония - 2 мг/л. Предельно допустимые концентрации для содержания нитратов в воде - 40 мгN/л, ПДК фосфора фосфатного – 0,066 мгР/л. Прямыми показателями загрязнения пресных вод являются нитриты, нитраты, аммоний, нефтепродукты, косвенными - повышенные содержания натрия, калия, хлора, сульфатов и других компонентов, в том числе повышенные общая жесткость и минерализация. Большое содержание железа и нередко марганца в напорных подземных водах, эксплуатируемых глубокими скважинами, является геохимической особенностью белорусского региона, особенно на территориях со значительной заболоченностью. В среднем 70% всех артезианских скважин содержат железо в концентрациях, превышающих ПДК (0,3 мг/л). На крупных водозаборах эта проблема решается путем создания систем обезжелезивания, в сельских же населенных пунктах вода, как правило, напрямую подается потребителям.

Водная среда является источником возбудителей различных заболеваний. Вследствие загрязнения воды сточными водами распространяются брюшной тиф и азиатская холера, которые поражают пищеварительный тракт человека. В прошлом брюшной тиф распространялся главным образом через загрязненную воду, а в настоящее время - через продукты питания, которые загрязняются в процессе их производства скрытыми бациллоносителями. Холера распространяется в основном через воду и пищевые продукты, приготовленные с использованием загрязненной воды.

Однако брюшной тиф и холера - не единственные бактериальные заболевания, передающиеся через загрязненную воду. Па ратиф, дизентерия (в том числе и амебная), лямблиоз и другие заболевания, связанные с расстройством желудочно-кишечного тракта, также могут распространяться с водой. Около 5% населения земного шара заражены шистосомозом (бильгарциозом). Причиной этого заболевания является шистосома - червь-паразит, который обитает в венах инфицированных людей, вызывая заболевания печени и мочевых путей. Личинки червя проникают через кожу человека при поверхностном контакте с загрязненной водой. Это может происходить при купании, мытье или просто при вхождении в воду.

Загрязненная вода может стать и источником вирусных заболеваний - полиомиелита, гепатита, различных респираторных заболеваний. Источником гепатитов являются также устрицы или другие съедобные моллюски, места обитания которых загрязнены сточными водами.

Обеззараживание воды производится с помощью хлорирования. Одной из альтернатив процессу хлорирования воды является ее обеззараживание с помощью озона. Процесс озонирования, как и процесс хлорирования, осуществляется путем контакта воды с газом. Озон - сильный окислитель, разрушающий бактерии и вирусы. В отличие от хлорирования, при котором хлор может соединиться с углеводородами, содержимся в воде, при озонировании хлорированные углеводороды, являющиеся канцерогенными веществами, не образуются. Напротив, озон может разрушать присутствующие в воде углеводороды путем их окисления. Более того, озон эффективно обесцвечивает воду и не создает в ней постороннего привкуса и запаха. Однако озонирование не находит широкого применения из-за того, что в воде не остается свободного озона, который дезинфицировал бы воду в случае ее возможного повторного загрязнения болезнетворными микробами.

Для оценки уровня загрязнения воды органическими веществами применяют три показателя: биохимическое потребление кислорода, химическое потребление кислорода и общее содержание органического углерода.

Биохимическое потребление кислорода (БПК) – количество кислорода, которое необходимо для окисления бактериями и простейшими в 1 л загрязненной воды, выражается в миллиграммах на литр. Величина БПК – важный показатель загрязнения воды органическими веществами, поскольку он показывает, какое предельное количество кислорода может быть удалено из воды за счет биологического окисления отходов. Считается, что большинство органических веществ полностью окисляется за 20 суток, поэтому БПК за этот период приравнивается к полной биохимической потребности в кислороде. Величина БПК в диапазоне 3...3,9 мг О₂/л идентифицирует загрязненные воды; 4...10 мг О2/л - грязные. В Беларуси для оценки загрязнения речных вод органическими веществами принята ПДК для величины БПК, которая составляет 3 мг О₂/л.

Химическое потребление кислорода (ХПК) дает более полную количественную оценку содержания органических веществ в воде. Чем больше загрязненность воды органическими веществами, тем меньше содержание растворенного кислорода, что приводит к ухудшению условий развития живых организмов рек и водоемов.

Общее содержание органического углерода (ООУ) характеризует суммарную концентрацию органических веществ.

Попадающие в природные водоемы органические соединения, фосфаты и нитраты служат источником питания для фотосинтезирующих водорослей, числённость которых может достигать катастрофических размеров. Этот процесс называется эвтрофизацией. В ночное время, когда водоросли в эвтрофных водоемах поглощают кислород при дыхании, его уровень в воде может упасть ниже значения, необходимого для других водных организмов. Эвтрофированные озера могут восстанавливается, если поступление фосфатов и нитратов в них прекращается.

ІІомимо органических веществ воду загрязняют и неоргаиические соединения, в частности кадмий, мышьяк, свинец, железо, марганец, нитраты и ртуть.

Естественного появления кадмия в воде в заметных количествах практически неизвестно. Предполагается, что широкое использование на тепловых электростанциях нефти вместо каменного угля увеличивает содержание в воздухе кадмия, мышьяка и свинца. Из воздуха эти загрязнения вымываются дождями и попадают в природные воды. Помимо роста концентраций в воздухе и в воде имеются данные о том, что кадмий и свинец, содержащиеся в канализационных сбросах или фосфорных удобрениях, способны повысить содержание этих элементов в пищевых продуктах. Кадмий можно удалить путем умягчения воды, обычно применяемого при обработке питьевой воды. Для питьевой воды установлена ПДК кадмия, равная 0,01 мг/л.

Большая часть мышьяка (80%) попадает в воду из пестицидов и дефолиантов, применяемых в сельском хозяйстве. Поскольку мышьяк содержится также в дыме при сжигании угля, то поверхностные воды вблизи предприятий, использующих его в качестве топлива, или сельскохозяйственные поля могут загрязняться мышьяком.

Свинец попадает в природные воды в результате производственной деятельности человека. Он широко используется в химическом машиностроении, атомной промышленности, при производстве аккумуляторов, хрусталя, пластмасс и др. При этом ежегодно в природные воды попадает 500...600 тыс. т этого опасного элемента. Для питьевой воды предельно допустимая концентрация свинца не должна превышать 0,03 мг/л.

Железо и марганец могут загрязнять источники питьевой воды. В большинстве случаев высокие концентрации этих металлов - результат дренирования шахт и отвода из них воды.

Особую опасность представляют нитраты. Вода, содержащая более 10 мг/л нитратов, считается не пригодной для питья, так как она токсична, особенно для грудных детей. У некоторых детей в желудке не выделяется достаточного количества кислоты, чтобы предотвратить развитие бактерий, преобразующих нитраты в высокотоксичные нитриты.

В последнее время установлено, что нитраты в питьевой воде могут оказаться вредными также для подростков и взрослых людей, так как в желудке возможно образование нитрозосоединений.

Не менее серьезную опасность как источник загрязнения воды представляет собой ртуть, преобразующаяся в водной среде в метилртуть. Ртуть можно назвать постоянным загрязнителем в том смысле, что, попав в окружающую среду, она в процессе своего круговорота переходит из воздуха в воду, в водные организмы, в пищу людей, и эти циклы представляются бесконечными. Из-за токсичности и тенденции накапливаться в живых организмах предельная концентрация ртути в питьевой воде установлена на уровне 0,0005 мг/л.

Безопасность питьевой воды гарантируется национальными стандартами, в которых устанавливаются максимально допустимые уровни неорганических и органических веществ, бактерий кишечной группы, мутности воды и ее радиоактивности. Для Республики Беларусь качество холодной и горячей воды, используемой для технологических, питьевых и хозяйственно-бытовых нужд, должно соответствовать требованиям СанПиН 10-124 РБ 99 «Вода питьевая. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества», утвержденных постановлением Главного государственного санитарного врача Республики Беларусь от 19 октября 1999 г. № 46.

Устройство систем водоснабжения и канализации предприятий должно отвечать требованиям СанПиН 2.1.4.12-3-2005 «Санитарные правила для хозяйственно-питьевых водопроводов», утвержденных постановлением Главного государственного санитарного врача Республики Беларусь от 16 марта 2005 г. № 27.

Почва. Химические соединения, содержащиеся в почве, делят на всегда имеющиеся в почве и поступающие извне.

К веществам, всегда имеющимся в почве, но концентрация которых может возрастать в результате антропогенной деятельности, относятся, например, металлы - свинец, ртуть, кадмий, медь и др. Повышенное содержание свинца может быть вызвано внесением в почву удобрений, пестицидов и т.п.

Среднее содержание мышьяка в почве составляет 4 • 10^-4%. Ртуть в обычных почвах содержится в количестве от 90 до 250 г/га; за счет средств протравливания зерна ежегодно ее содержание может увеличиваться на 5 г/га; примерно такое же количество попадает в почву с дождем. ПДК мышьяка и ртути почве не должна превышать 2 мг/кг. Для свинца и цинка составляет 20 мг/кг, для меди - 3 мг/кг.

Одним из основных источников загрязнения почв являются кислотные дожди, появление которых связано с функционированием нефтеперерабатывающих и химических организации. В течение десятилетий кислотные загрязнения действуют на буферную емкость почвы. В отношении многих почв отмечается вымывание катионов, важных для питания растений, сорбционно связанных с коллоидными частицами почвы, и в результате они мигрируют в глубинные слои, становясь недосягаемыми для корней растений. Поэтому даже если рН почвы остается постоянным, плодородие почвы снижается. Продолжающееся зачисление почвы можно определить, например, по понижению концентрации ионов Ғе²⁺ и М§²⁺, а также алюминия А1³⁺. Независимо от выделения ионов А1³⁺ и других катионов, в том числе и тяжелых металлов, изменение рН почвы может приводить и к другим изменениям ее свойств. Так, снижение рН препятствует развитию микроорганизмов так же, как это происходит в несозревших гумусовых почвах. К подобным организмам относятся, в частности, грибы Муkоrrһіzа, которые способствуют усвоению минеральных веществ корнями растений. Ощутимым результатом разрушения микроорганизмов почвы является нарушение ее дыхания.

Закисление почвы оказывает большое влияние на многие, но не на все металлы. При увеличении кислотности становятся более подвижными кадмий, свинец и цинк и наиболее легко усваиваются растениями и животными. Наряду с закислением почв и увеличением концентрации в них тяжелых металлов и пестицидов почвы могут содержать полихлорированные бифенилы в концентрациях до 100 мг на 1 кг сухой массы. Они очень медленно распадаются в почве и по этой причине н ней накапливаются.

Загрязнение пищи происходит из почвы с экстремально высоким или, наоборот, низким содержанием некоторых минералов, ядовитыми высшими растениями или микроорганизмами, которые обитают в качестве паразитов или сапрофитов на продовольственных растениях или в готовой пище. Кроме того, некоторые опасные вещества могут попадать в пищевые продукты через цепи питания.

Примером такого загрязнения является выращивание зерновых культур с высоким естественным содержанием селена. В этом случае сера в таких аминокислотах, как цистеин, метионин, замещается селеном. Образовавшиеся «селеновые» аминокислоты могут привести к отравлению животных и человека. Недостаток молибдена в почве приводит к накоплению в растениях нитратов; в присутствии природных вторичных аминов начинается последовательность реакций, которые могут инициировать у теплокровных организмов развитие онкологических заболеваний.

В Республике Беларусь основными загрязнителями почвы являются кадмий, цинк и свинец. Загрязнение почв кадмием характерно для 72% городов, цинком - для 77, свинцом - для 62%. Превышение допустимого уровня кадмия в 2 раза и более отмечено в 8 городах, цинка - в 14, свинца - в 9. Медь в повышенных концентрациях встречалась на территории четырех городов. В почвах 44 городов Беларуси, обследованных за период с 2006 по 2010 г., отмечено накопление нефтепродуктов и тяжелых металлов, в меньшей степени - сульфатов и нитратов. В организациях, специализирующихся на производстве лаков и красок, основными загрязнителями почв являются полихлорированные бифенилы, концентрации которых в отдельных случаях в 100 раз и более превышают допусти- мый уровень.

В процессе превращения органических веществ в почве большую роль играют как абиотические, так и биотические реакции, протекающие под воздействием находящихся в почве живых организмов, а также свободных ферментов.

Таким образом, антропогенные химические вещества, попадающие в окружающую среду - воздух, воду, почву, могут быть индифферентными, нежелательными или токсичными.