Понятие о загрязнении, классификация, типы и источники загрязнений

 

Очень важной проблемой современности является загрязнение среды вредными веществами, поставляемыми промышленностью, теплоэнергетикой, транспортом, применяемыми в сельском хозяйстве. Загрязнение – это нежелательное изменение физических, химических или биологических характеристик воздуха, земли, воды, которое может сейчас или в будущем оказывать неблагоприятное влияние на жизнь самого человека, растений или животных, на разного рода производственные процессы, условия жизни и культурное достояние, истощать или портить сырьевые ресурсы. Во всем мире используется множество различных, химических соединений. Классификация загрязнений сложна. Широко известно выделение загрязнений по типам сред (загрязнение атмосферы, гидросферы, почвы), по загрязняющим веществам (как тяжелые металлы, диоксины, радиоактивные вещества, нитритный и нитратный азот, кислоты). С экосистемных позиций выделяют два вида загрязнений – стойкие и нестойкие. Последние, в отличие от первых, легко разрушаются биологическими процессами. Стратегия обращения с разными видами загрязнений различна и в большой степени зависит от их особенностей. Цена любого вида загрязнений включает три составляющие: 1) потери ресурсов в результате их эксплуатации с большим количеством отходов; 2) стоимость ликвидации загрязнений и контроля над ними; 3) цена здоровья людей.

Загрязнение окружающей среды является причиной других важных проблем. Перенос кислотных загрязнений на большие расстояния влияет на земельные ресурсы, леса, организмы.

Рисунок – Основные типы загрязнения окружающей среды

 

(по Н. Ф. Реймерсу, 1990)

 

С загрязнением связано явление «парникового эффекта», разрушение озонового слоя, появление смога. Смог (от англ. – дым и туман) – это опасное загрязнение атмосферного воздуха, характеризующееся сочетанием пылевых частиц и капель густого тумана.

Интенсивный смог вызывает различные заболевания у людей (удушье, приступы бронхиальной астмы, аллергию и др.), отрицательно влияет на растительность, способствует разрушению сооружений, архитектурных памятников. Огромный каменный обелиск Клеопатры, перевезенный в Лондон из Александрии, за 85 лет пребывания в Лондоне подвергся более сильным разрушениям, чем за 3000 лет в Египте. Разновидностью смога является смог фотохимический. Он возникает в результате фотохимических реакций при наличии в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов, озона, интенсивной солнечной радиации и безветрия или очень слабого обмена воздушных масс в приземном слое.

В таких условиях в солнечную погоду при значительных, например, концентрациях выхлопных газов автомобилей в атмосфере образуются высокотоксичные загрязнители (приводятся в разделе по экологии атмосферы).

Загрязнение окружающей среды

Загрязнение атмосферы

 

Различают естественные и антропические источники загрязнения атмосферы. Естественное загрязнение происходит при извержении вулканов, пыльных бурях, лесных пожарах, других стихийных бедствиях. Антропогенное загрязнение является следствием работы, прежде всего, промышленных предприятий (рисунок 21.3), транспорта, сжигания топлива. Различают физическое и химическое загрязнения. К физическим видам загрязнения относят инфразвук, сильный звук, вибрацию, электромагнитное излучение. В зависимости от частоты звуковые колебания условно подразделяют на инфразвуковые (низкие по частоте), акустические (слышимые), ультразвуковые (высокие). К инфразвуковому диапазону относятся звуковые колебания с частотой ниже 20 Герц. Физиологически наиболее активным для человека является диапазон частот от 2 до 17 Гц из-за резонансных явлений со стороны внутренних органов. Этим объясняются нервно-психические явления, наблюдаемые у человека при действии инфразвуков. Многие нервные болезни, свойственные жителям промышленных городов, вызываются именно инфразвуками, проникающими сквозь самые толстые стены. Источниками инфразвука могут быть естественные факторы – землетрясения, ураганы, морские штормы. Человек подвергается воздействию инфразвука на производстве и транспорте.

Рисунок – Источники загрязнения атмосферного воздуха

 

(по А. С. Степановских, 2004)

 

Инфразвуковые волны возникают при работе компрессоров, турбин, дизельных двигателей, электровозов, кондиционирующих систем, вентиляторов. Направление борьбы с действием инфразвука заключаются в следующем: ослаблении инфразвука в источнике образования, заглушении инфразвуковых волн. Человек всегда жил в мире звуков: плескались волны, шумели леса, гремел гром, свистел ветер. С развитием техники появились новые источники звуков, сила которых росла.

Возникла проблема шума, как антропического фактора. Уровни шума, правильнее уровни звукового давления, измеряются в децибелах (дБ). Человеческое ухо обладает чрезвычайно большим диапазоном чувствительности – от 20 до 120 дБ. Для человека безвреден шум в 20–30 дБ, 80 – допустимая граница, 130 – вызывает болевые ощущения, 150 дБ – непереносимы. В средние века даже существовала казнь «под колокол», звон которого убивал приговоренного. Вместе с тем, взлетающий реактивный самолет на расстоянии 25 м создает шум, равный 140 дБ. Согласно результатам измерений, проведенных в помещениях дискотек, уровень шума в них соответствует силе звука от двигателей реактивного самолета.

Рисунок – Загрязнение атмосферы выбросами

 

промышленных предприятий (по Е. А. Криксунову и др., 1995)

 

Дизельный грузовик на расстоянии 7 м создает шум в 90 дБ, на таком же расстоянии поезд и звон будильника – 90–93 дБ. В квартирах шумнее всего в утренние и вечерние часы (55–60 дБ), когда собираются все члены семьи, включаются бытовые приборы, телевизор. Последствия громкого звука: он отрицательно влияет на слух, приводит к нарушениям деятельности нервной системы, повышенной утомляемости, ослабляет внимание, страдает сердечно-сосудистая система. Наиболее чувствительны к шуму дети. Мероприятия по снижению шума: возможно проведение комплекса мер – работа по упорядочению транспортных потоков, запрещение проезда транзитного транспорта через крупные города, ограничение въезда грузовых автомобилей на центральные улицы, использование устройств по снижению шума двигателей. Из архитектурных средств защиты наиболее распространено зонирование застройки: к проезжей части выносятся учреждения, предприятия, создающие экранирующие эффекты для жилых зданий. Для уменьшения шума применяют также такие экранирующие сооружения, как специальные стены, земляные валы, откосы. Такие «акустические заборы» способны значительно снижать шум: железобетонная стенка высотой в 8 м – на 20 дБ, устройство дороги в выемке глубиной 4,5 м – до 40 дБ. Основой разработки мероприятий по борьбе с шумом являются шумовые карты улично-дорожной сети, которые составляются для крупных городов. Одним из охранных мероприятий является сооружение шумозащитных домов. В таких домах повышается звукоизоляция оконных переплетов с помощью тройного остекления и шумоизоляционных клапанов вместо форточек. Свежий воздух через них проходит, а звуки «запутываются» в системе перегородок. В крупных городах имеются комиссии по борьбе с шумом. Они следят за тем, чтобы заводы и фабрики не создавали повышенного звукового фона, разрабатывают предложения по рациональной организации движения транспорта, по размещению новых предприятий.

Представляет опасность для здоровья вибрация. Источниками вибрации являются транспорт, промышленные установки, инженерно-техническое оборудование зданий. По интенсивности колебаний наиболее воздействует на человека городской рельсовый транспорт, железнодорожные магистрали. Эффективным способом виброзащиты жилых зданий является виброизоляция источника колебаний.

Человек с момента рождения находится под воздействием электромагнитных излучений. На него действует прежде всего магнитное поле Земли. Магнитное поле испытывает кратковременные изменения, и это явление называется магнитной бурей. Геомагнитное поле воздействует на живые организмы. В периоды магнитных бурь увеличивается количество сердечно-сосудистых заболеваний, ухудшается состояние больных, страдающих гипертонией. Источником электромагнитных излучений является электро- и радиотехника, которая проникает во все сферы человеческой деятельности, в быт. Сильным источником электромагнитных волн служат высоковольтные линии электропередач (ЛЭП). Под такими линиями напряженность электромагнитного поля может достигать нескольких тысяч и даже десятков тысяч вольт на метр. Экспериментальное изучение биологического воздействия электромагнитного поля ЛЭП показало, что его неблагоприятное действие может проявиться при напряженности электрического поля 1000 вольт на метр. Наиболее чувствительна к такому воздействию нервная система, изменение которой влечет за собой напряжение других систем организма, в частности, эндокринного аппарата. Изменяются и обменные процессы. Поэтому электромагнитное поле как биологически действующий фактор подлежит нормированию. Важным источником высокочастотной энергии являются радиотелевизионные и радиолокационные станции. Для защиты населения от их излучения устанавливаются ПДУ (предельно-допустимые уровни) напряженности поля. Мощные радиостанции размещают за пределами населенных пунктов, создают санитарно-защитные зоны. Они должны обеспечивать ПДУ напряженности поля в населенных местах.

При химическом загрязнении наиболее значимое влияние на состав атмосферы оказывают предприятия черной и цветной металлургии, химическая и нефтяная промышленность, стройиндустрия, энергетические предприятия, целлюлозно-бумажная промышленность, автотранспорт. Процессы выплавки чугуна и переработки его на сталь сопровождаются выбросом в атмосферу различных газов. Вместе с ними выбрасываются соединения мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, пары ртути, цианистый водород, др. Значительно загрязняют атмосферу выбросы сталеплавильных цехов. Преобладающая часть загрязнений, образующихся при работе мартеновских печей, состоит из триокиси железа (около 70%) и триокиси алюминия (7%). В отходящих газах при кислородном дутье содержится до 60 кг окиси углерода и до 3 кг сернистого газа на 1 т выплавляемой стали. При получении конвертерной стали в составе загрязнений содержится до 80% окиси углерода. Предприятия цветной металлургии загрязняют атмосферный воздух сернистым ангидридом (75% суммарного выброса), окисью углерода (10%), пылью (10%).

Предприятия нефтеперерабатывающей промышленности загрязняют атмосферу выбросами углеводородов (по данным литературы они составляют 23% от суммарного выброса), сернистого газа (17%), окиси углерода (7%), окислов азота (2%). Особую экологическую опасность представляет разработка месторождений нефти и газа с повышенным содержанием сероводорода. Производство строительных материалов сопровождается выбросами в атмосферу взвешенных веществ (51% от суммарного выброса), окиси углерода (21%), сернистого ангидрида (11%) и окислов азота (9%). Кроме того, в выбросах присутствует сероводород (0,03%), формальдегид (0,02%), толуол (0,02%), бензол (0,01%), пятиокись ванадия (0,01%), ксилол (0,01%). Вокруг заводов, производящих цемент, асбест и другие строительные материалы, сложились зоны с повышенным содержанием в воздухе бензапирена, пыли, в том числе цементной, и других вредных веществ. Опасность представляет и смог (смесь дыма и тумана). Сам по себе туман не опасен для человеческого организма, губительным он становится, только если чрезмерно загрязнен токсическими примесями. Главную опасность представляет содержащийся в нем сернистый газ в концентрации 5–10 г/м3 и выше.

В сельской местности источниками загрязнения атмосферного воздуха являются животноводческие и птицеводческие хозяйства, промышленные комплексы по производству мяса, предприятия, обслуживающие технику, энергетические и теплосиловые предприятия. Над территориями, примыкающими к помещениям для содержания скота и птицы, в атмосферном воздухе распространяются на значительные расстояния аммиак, сероводород и другие дурно пахнущие газы. В растениеводческих хозяйствах атмосферный воздух загрязняется минеральными удобрениями, пестицидами при обработке полей и семян на складах, а также на хлопкоочистительных заводах.

В общем, в атмосферу поступают различные химические загрязнители. Большую опасность из них представляют тяжелые металлы. В среду металлы попадают из многих источников, наиболее важные из которых – промышленные предприятия, установки для сжигания мусора, ТЭС, работающие на угле, и транспорт. В случае высокой концентрации вредны любые металлы, поскольку они легко накапливаются в пищевой цепи. В последние годы особое внимание экотоксикологии привлекли кадмий, ртуть, свинец, медь и цинк, причем особенно первые три металла.

Химические вещества, присутствующие в атмосфере, действуют на многие растения. При низких концентрациях многие из этих веществ могут даже стимулировать рост, но подавляют или угнетают его при высоких концентрациях. Это распространенное явление именуется hormesis. Отрицательные эффекты могут состоять, например, в опадении листьев, уменьшении продукции семян. Однако разные виды растений имеют разную чувствительность. Лишайники чувствительны к фтористым соединениям, попадающим в воздух при производстве алюминия. Поэтому в окрестностях алюминиевых заводов встречаются очень немногие лишайники. Некоторые виды лишайников очень чувствительны к двуокиси серы. Вероятнее всего, этим объясняется отсутствие древесных лишайников в наиболее загрязненных местах городов и промышленных районах. К двуокиси серы очень чувствительны также некоторые папоротники и грибы. Обычно древесные растения более чувствительны к загрязнителям воздуха, чем травы, а хвойные деревья более чувствительны, чем лиственные. Известно, что смог в Сан-Франциско сказывается на состоянии хвойных деревьев в радиусе 100 км и исключает выращивание цитрусовых в пределах 50 км. Еще в древние времена нарушение растительного покрова вокруг рудников указывало на то, что некоторые металлы ядовиты для растений. При высоких их концентрациях подавляется рост, возможно, вследствие накопления металлов в корнях, что влияет на поглощение питательных веществ. При еще больших концентрациях проявляется такой симптом, как бледность и белая пятнистость листьев, свидетельствующие о нарушении синтеза хлорофилла. Это неизбежно скажется на образовании сахара и крахмала.

Многие виды древесных растений живут в симбиозе с грибами. Эти микоризные грибы, обитающие на корнях и в тканях корней растений, часто очень чувствительны к металлам, имеющимся в почве. Последствия для пораженных деревьев зачастую очень серьезны. Заметную чувствительность к металлам обнаруживают лишайники, грибы и микроорганизмы. Многие микроорганизмы выполняют важную роль в разрушении органических веществ в почве. Поэтому повышенные концентрации металлов в почве будут замедлять разложение отмерших растений и животных организмов.

Химические загрязнители вызывают многие нарушения у животных, например, органические соединения ртути, ДДТ и другие могут вызывать мышечные дисфункции. Нарушения пищеварения, обмена веществ и (или) ухудшение аппетита тоже могут приводить к ослаблению мышечных функций через уменьшение доступной энергии. Такие эффекты наблюдались при появлении ртути, ПХБ (полихлорированные бифенилы) и пентахлорфенола в пище. Чтобы оптимально выполнять свои функции, мышцы должны получать правильные нервные сигналы. Однако высокие концентрации ДДТ и подобных веществ подавляют нервные функции, что грозит понижением мышечной работоспособности.

Известно, что многие хлорорганические загрязнители, например, диоксины, некоторые ПХБ, возможно и ДДТ, понижают эффективность функционирования иммунной системы. Так, катастрофическое состояние популяции балтийских тюленей отчасти может быть вызвано именно ухудшением иммунной системы.

Исключительно чувствительны к токсикантам процессы воспроизводства и роста. Некоторые загрязнители влияют на развитие плода и рост молоди. Так, масса детенышей норок, получавших ПХБ в период беременности, при рождении меньше, чем масса детенышей контрольных самок. Однако в случае грызунов – крыс, мышей и морских свинок – результаты наблюдений оказываются противоречивыми. В некоторых экспериментах с этими видами молодь росла быстрее в том случае, когда сосунки подкармливались ДДТ и ПХБ.

Недавно выявлен еще один эффект загрязнения среды металлами. Например, высокие концентрации алюминия влияют на формирование минеральных образований типа яичной скорлупы, раковин улиток и скелетов позвоночных. В исследованиях куликов-сорок была обнаружена взаимосвязь между концентрацией алюминия в самках и толщиной скорлупы отложенных ими яиц. При высокой концентрации алюминия скорлупа оказалась не только тоньше обычной, но и более пористой. Пористая скорлупа обеспечивает сильное испарение воды из яйца, так что зародыши могут погибать не только от разрушения скорлупы, но и от обезвоживания.

При загрязнении атмосферы наблюдается возникновение синергизма. Суть данного явления заключается в том, что загрязнители реагируют друг с другом в окружающей среде, и при их совместном действии усиливается эффект, сопровождаясь образованием вторичных загрязнителей. Например, два компонента выхлопных газов автомобилей, соединяясь в присутствии солнечного света, образуют новые и даже еще более ядовитые вещества, известные под названием «фотохимического смога» (Одум, 1975).

Оба вторичных вещества обладают слезоточивым действием, раздражающим действием на дыхательные пути человека. Они опасны для растений: озон усиливает дыхание листьев, что приводит к гибели растения от истощения, а ПАН блокирует реакцию Хилла в фотосинтезе, и растение гибнет от недостаточной интенсивности синтеза питательных веществ. Другие фотохимические загрязнители, относящиеся к группе многоядерных ароматических углеводородов, известны своими канцерогенными свойствами. Еще одно опасное проявление синергизма возникает при адсорбировании сернистого газа (SO2) на частичках загрязнения, после чего, вступая в контакт с капельками влаги, например, попадая на слизистую дыхательных путей, он превращается в серную кислоту. Такое «кислотное» загрязнение опасно не только для человека, но и для животных, растений. Большую опасность оно представляет для лесов, вызывает коррозию металлов, известняка, принося огромные убытки.

Некоторые загрязнители частично или полностью разлагаются. Другие из них, биоусвояемые, поглощаются организмами, биотой. После этого они разрушаются и выводятся из организма. Но некоторые вещества могут накапливаться в органах, переноситься от одной особи к другой (как от жертвы к хищнику) по трофическим цепям. Происходит увеличение концентрации веществ на верхних уровнях цепей, то есть наблюдается явление биоусиления. Поэтому среди загрязнителей особенно опасны те, которые отличаются устойчивостью к разложению и биологической усвояемостью. Наиболее пагубные эффекты загрязнителей состоят в снижении продуктивности растений, нарушении работы мышечной, нервной и других систем и органов, иммунной и репродуктивной функций животных. Загрязнители могут оказывать сильное воздействие на целые экосистемы. Оно проявляется в уменьшении числа видов, т. е. в их разнообразии, а также в уменьшении количества биомассы.

Таким образом, загрязнение атмосферы приводит к различным отрицательным эффектам. Среди многих загрязнителей особенно опасны те, которые отличаются устойчивостью к разложению и биологической усвояемостью. Большинство опасных веществ принадлежит к трем группам – галогенированным углеводородам, полиароматическим углеводородам и тяжелым металлам и их соединениям. Основные источники загрязнений – промышленность, энергетика, транспорт.