Способы очистки воды

Одной из наиболее распространенных проблем, с которыми сталкиваются люди во всем мире, является недостаточный доступ к чистой воде и санитарии. Ожидается, что проблемы с водой будут обостряться в ближайшие десятилетия, когда дефицит воды будет иметь место во всем мире, даже в регионах, которые в настоящее время считаются богатыми. Решение этих проблем требует проведения огромного количества исследований для определения надежных новых методов очистки воды с меньшими затратами и с меньшими затратами энергии, в то же время сводя к минимуму использование химических веществ и воздействие на окружающую среду. Здесь мы выделяем некоторые из научных разработок и технологий, которые разрабатываются для улучшения дезинфекции и обеззараживания воды, а также усилия по увеличению водоснабжения за счет безопасного повторного использования сточных вод и эффективного опреснения морской и солоноватой воды.

Развитие экологии как науки

Слово «экология» происходит от греческого ойкос, что означает «домашнее хозяйство», а логотипы - «учеба». Таким образом, изучение экологического дома включает в себя все организмы в нем и все функциональные процессы, которые делают дом пригодным для жилья. Таким образом, в буквальном смысле экология - это изучение «жизни дома» с акцентом на «совокупности или структуре отношений между организмами и их средой», чтобы привести стандартное словарное определение слова.

Слово экономика также происходит от греческого корня oikos. Поскольку номинальное значение означает «управление», экономика переводится как «управление домохозяйством», и, соответственно, экология и экономика должны быть сопутствующими дисциплинами. К сожалению, многие люди рассматривают экологов и экономистов как противников с противоположными взглядами.

Экология представляла практический интерес на ранних этапах истории человечества. В первобытном обществе все люди должны были знать свое окружение, то есть понимать силы природы, а также растения и животных вокруг них, чтобы выжить. Начало цивилизации, по сути, совпало с использованием огня и других инструментов для изменения окружающей среды.

Из-за технологических достижений люди, по-видимому, в меньшей степени зависят от природной среды для своих повседневных потребностей; многие из нас забывают о нашей сохраняющейся зависимости от природы в отношении воздуха, воды и, косвенно, пищи, не говоря уже об ассимиляции отходов, отдыхе и многих других услугах, предоставляемых природой. Кроме того, экономические системы, независимо от политической идеологии, ценят вещи, созданные людьми, которые в первую очередь приносят пользу человеку, но придают мало денежной ценности товарам и услугам природы, которые приносят пользу нам как обществу.

До кризиса люди склонны воспринимать природные товары и услуги как должное; мы предполагаем, что они не ограничены или каким-либо образом заменяются технологическими инновациями, хотя мы знаем, что жизненные потребности, такие как кислород и вода, могут быть пригодны для переработки, но не заменяемы Пока службы жизнеобеспечения считаются бесплатными, они не имеют ценности в существующих рыночных системах.

Как и все этапы обучения, наука об экологии постепенно развивалась в течение истории. В трудах Гиппократа, Аристотеля и других философов древней Греции явно содержатся ссылки на экологические темы. Однако у греков не было слова об экологии. Слово «экология» имеет недавнее происхождение и впервые было предложено немецким биологом Эрнстом Геккелем в 1869 году. Геккель определил экологию как «изучение естественной среды, включая связи организмов друг с другом и с окружающей средой».

До этого, во время биологического возрождения в восемнадцатом и девятнадцатом веках, многие ученые внесли свой вклад в этот предмет, хотя слово «экология» не использовалось. Например, в начале 1700-х годов Антони ван Левенхук, известный прежде всего как главный микроскопист, также стал пионером в изучении пищевых цепей и регулирования численности населения, а труды английского ботаника Ричарда Брэдли раскрыли его понимание биологической продуктивности. Все три из этих предметов являются важными областями современной экологии.

Загрязнение окружающей среды

Воздействие загрязнения окружающей среды остается основным источником риска для здоровья во всем мире, хотя риски, как правило, выше в развивающихся странах, где бедность, отсутствие инвестиций в современные технологии и слабое природоохранное законодательство в совокупности вызывают высокие уровни загрязнения. Связи между загрязнением окружающей среды и последствиями для здоровья, однако, сложны и часто плохо охарактеризованы. Например, уровни воздействия часто являются неопределенными или неизвестными из-за отсутствия подробного мониторинга и неизбежных изменений в любой группе населения. Воздействия могут происходить через ряд путей и процессов воздействия. Отдельные загрязнители могут быть вовлечены в широкий спектр воздействий на здоровье, в то время как немногие заболевания напрямую связаны с отдельными загрязнителями. Длительные задержки, эффекты кумулятивного воздействия и многократные воздействия различных загрязнителей, которые могут действовать синергетически, все создают трудности в выявлении связей между загрязнением окружающей среды и здоровьем. Тем не менее, в последние годы было предпринято несколько попыток оценить глобальное бремя болезней в результате загрязнения окружающей среды с точки зрения смертности или лет жизни с поправкой на инвалидность (DALY). Около 8–9% общего бремени болезней может быть связано с загрязнением, но значительно больше в развивающихся странах. Небезопасная вода, плохие санитарные условия и плохая гигиена являются основными источниками воздействия, наряду с загрязнением воздуха внутри помещений.
Загрязнение окружающей среды можно просто, хотя и в некоторой степени, определить как присутствие в окружающей среде агента, который может нанести вред окружающей среде или здоровью человека. Как таковые, загрязняющие вещества принимают различные формы. Они включают в себя не только химические вещества, но также организмы и биологические материалы, а также энергию в ее различных формах (например, шум, излучение, тепло). Следовательно, количество потенциальных загрязнителей, по сути, неисчислимо. Например, сегодня используется около 30 000 химических веществ, любое из которых может попасть в окружающую среду во время обработки или использования. Менее 1% из них прошли детальную оценку с точки зрения их токсичности и риска для здоровья4. Количество биологических загрязнителей действительно не поддается количественному определению. Они включают в себя не только живые и жизнеспособные организмы, такие как бактерии, но также огромное количество эндотоксинов, которые могут высвобождаться из протоплазмы организмов после смерти. Поэтому нет недостатка в потенциальных экологических рисках для здоровья. Чего по большей части не хватает, так это понимания природы и механизмов этих рисков.

Экологические проблемы. Часть 2

Термин экология образован от двух греческих слов (ойкос-дом, жилище, родина, и логос- наука), означающих дословно «наука о местообитании». В более общем смысле экология- это наука, изучающая взаимоотношения организмов и их сообществ с окружающей их средой обитания (в том числе многообразие взаимосвязей их с другими организмами и сообществами). Сейчас человечество находится на грани всемирной экологической катастрофы, для предотвращения которой практически ничего не предпринимается. Многие экологические проблемы сегодня приобрели международный характер и для их решения необходимы совместные усилия разных стран. Охрана окружающей природной среды - одна из наиболее актуальных проблем современности. Научно-технический прогресс и усиление антропогенного давления на природную среду неизбежно приводят к обострению экологической ситуации, истощаются запасы природных ресурсов, загрязняется природная среда, утрачивается естественная связь между человеком и природой, теряются эстетические ценности, ухудшается физическое и нравственное здоровье людей. Динамика экологических проблем в РФ и за рубежом такова: европейской части РФ в результате перемещения воздушных масс из западной Европы вредных веществ выпадает в 10 раз больше, чем выносится туда из России. Спад производства, падение технологической дисциплины, нехватка бюджетных средств для проведения природоохранных мероприятий крайне негативно сказываются на экологической обстановке в РФ. Российская Федерация относится к странам с наихудшей экологической ситуацией. Состояние окружающей среды в России крайне неблагополучно, а в некоторых районах даже приобрело характер экологического бедствия.

Планета земля как целое, включая воду, воздух, землю, недра, а также биологические объекты, не исключая и человека, является целостной системой. Экологические проблемы есть результат взаимодействия нашей цивилизации и окружающей среды в эпоху промышленного развития. Началом этой эпохи принято считать 1860 год, примерно в это время в результате бурного развития евроамериканского капитализма произошёл выход тогдашней промышленности на новый уровень.

Экологические проблемы делят на несколько групп, тесно связанных друг с другом:

- проблема чистого воздуха

- загрязнение атмосферы

- чистые продукты питания

- экология человека

- загрязнение природных вод

- рациональное управление природными ресурсами

Очень важно принимать во внимание значение экологических проблем, которые наносят вред здоровью людей. Но, в то же время, мы понимаем – многие проблемы экологии «обязаны» своим появлением человеку. Ведь именно он совершил открытия, которые в данный момент вредят окружающей среде.

ЧЕЛОВЕК И ПРИРОДА.

Природа является местообитанием человека человека и источником всех благ, необходимых ему для жизни и производственной деятельности. Человек – часть природы, ее порождение, он может производить, только используя ее ресурсы, и жить только в тех природных условиях (температура, давление, влажность, состав атмосферы и др.), к которым он генетически приспособлен.

Технические достижения последних лет создали иллюзию обособленности от природы и даже господства над ней. Действительно , теперь, чтобы напиться воды, горожанину не нужно идти к роднику, а достаточно открыть кран; он может не искать солнечного тепла, когда замерз, или лесной прохлады если жарко, а включить обогреватель, вентилятор или кондиционер; собираясь в путь, большинство из нас воспользуется не лошадью, а самолетом или поездом. Однако на самом деле все обстоит как раз наоборот. С научно-техническим развитием мы только усиливаем нашу зависимость от природы: ведь все машины тоже ее создания. Их двигатели сжигают нефть и кислород – продукты растений. Для выплавки стали нужны железная руда, уголь, вода и кислород, т.е. продукты природы. Причем в конечном итоге для удовлетворения своих биологических потребностей в пище, тепле и т.п., которые практически не изменились за время ее существования, современный человек нуждается в значительно большем количестве природных ресурсов, чем раньше. И этот процесс возрастания нашей зависимости от наличия природных ресурсов сопровождается пропорциональным уменьшением этих ресурсов по мере их использования или загрязнения человеком.

Много лет стремясь покорить природу и господствовать над ней, человек неожиданно для себя оказался на грани экологической катастрофы. «Парниковый эффект», «озоновая дыра», «кислотные дожди», нехватка чистой воды и продуктов питания, сырьевые и энергетические кризисы, загрязнение Мирового океана – все эти проблемы встали перед человечеством, грозя гибелью и требуя немедленного решения. Но для этого требуются совместные усилия всех людей, независимо от места жительства и рода занятий. Необходимо соответствующее перераспределение средств, отказ от некоторых материальных благ в пользу экологических программ, перестройка не только производственных технологий, но и образа жизни и мышления.

Природа миллиарды лет назад тоже стояла перед проблемой исчерпания средств существования зарождающейся жизни, но нашла выход, включив все вещества в круговорот.

ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИИ.

Прежде чем рассматривать основные экологические проблемы необходимо знать значение данного выражения. Под экологической ситуацией подразумевается состояние окружающей среды или отдельных ее факторов, имеющих эмоциональную, количественную или качественную оценку. Антропоцентристское, т.е. с позиций человека, понимание экологической ситуации, которая требует улучшения или предотвращения, называется экологической проблемой. Современная экологическая ситуация в мире, с которой связаны проблемы охраны и воспроизводства биологических ресурсов, сложилась в результате действия следующих факторов: усложнения и количественного роста антропосистемы; достигнутого уровня развития промышленности и сельского хозяйства; недостаточного внимания со стороны многих парламентов и правительств к проблемам экологии; слабого в ряде случаев контроля за состоянием биологических ресурсов или вообще его отсутствия; неполноты научного познания организации и распределения жизни на Земле, экологической и биогеографической безграмотности большинства населения Земли, включая специалистов, разрабатывающих тот или иной "глобальный" проект преобразования природы. Особо необходимо подчеркнуть значение просветительной деятельности в оценке экологической ситуации как в мире, так и на конкретных территориях. Все экологические проблемы, отражающие жизнеспособность и численность живых организмов, включая человека, можно разделить на две большие группы. Первая из них объединяет проблемы, вызываемые естественным ходом изменения природных условий жизни — климата, почв, водного режима и других естественных явлений среды. Вторая группа проблем включает последствия, возникающие в живой природе в результате хозяйственной деятельности человека – неграмотного, нерационального использования природных ресурсов и загрязнения окружающей среды. Действуя одновременно, естественная динамика условий существования организмов и антропогенные их изменения могут привести (и приводят) к наиболее неблагоприятным результатам для биоты. В частности, атмосферная засуха, как следствие естественной ритмики увлажненности, при одновременном мелиоративном осушении болот создает условия для возникновения наиболее угрожающих лесных пожаров, в огне которых гибнет лесная флора и фауна. Продолжительные засухи и, как следствие, обезвоживание территории, гибель посевов, разрушение домашними животными растительного и почвенного покрова приводят даже в XX веке к голодной смерти значительной части населения некоторых государств. Природные и антропогенные экологические проблемы характеризуются масштабностью их проявления. Важна, таким образом, приоритетность принятия решений по снижению их последствий. Для дикой природы масштабность проявления может определяться гибелью растений и животных, их заболеваемостью, снижением продуктивности, изменением численного соотношения между отдельными группами организмов, перемещением животных с целью поиска лучших мест обитания и т.д. Для человека масштабность проявления экологических проблем определяется состоянием его здоровья, уровнем смертности и рождаемости населения.

Экологические проблемы имеют также и географическое содержание: они присущи часто определенной территории и конкретным средам — воздушной, водной и почвенно-грунтовой. Некоторые из них, например, глобальные изменения климата, охватывают биосферу в целом. Проявление других ограничено конкретными географическими пространствами. Есть экологические проблемы, свойственные Европе (например, перенос загрязняющих веществ западным потоком воздушных масс и выпадение кислотных дождей) или конкретным регионам со свойственными им природными ресурсами (осушение болот в гумидной зоне, деятельность горнодобывающей промышленности. Крупные промышленные центры и отдельные экологически опасные предприятия загрязняют окружающую среду определенной географической размерности. Площадь, на которой происходит значительное изменение биоты, может варьировать от небольшой, узколокальной территории (хутора) до суши и океана в целом.

Для более полного изучения экологических проблем антропогенного происхождения их можно подразделять по источникам загрязнения (кто загрязняет), загрязняющим веществам (чем загрязняют) и по изменениям в биоте, связанным с использованием природных (климатических, водных, почвенных, минерально-сырьевых и биологических) ресурсов. Экологические проблемы по масштабности проявления и источникам возникновения, а также по экономическим затратам на их решение чрезвычайно разнообразны. Важнейшая экологическая проблема современности - сохранение природного биоразнообразия.

ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ.

Под загрязнением окружающей среды следует понимать изменение свойств среды (химических, физических, биологических), происходящие в результате естественных или искусственных процессов и приводящие к ухудшению функций среды по отношению к любому биологическому или технологическому объекту. Используя различные элементы окружающей среды в своей деятельности, человек изменяет её качество. Часто эти изменения выражаются в неблагоприятной форме загрязнения. По масштабам антропогенные изменения становятся сопоставимыми с природными, а в ряде случаев даже превышают их. Вещества, загрязняющие атмосферу, причиняли значительный вред окружающей среде в течение многих десятилетий. По-видимому, с их вредным воздействием придётся считаться и в будущем. Дальнейший рост населения и промышленного производства неизбежно приводит к увеличению опасности загрязнения. Основными загрязняющими веществами, содержание которых в атмосфере регламентируется стандартами, являются: диоксид серы (SO2),оксиды азота (NO и NO2), оксид углерода(CO2),газообразные углеводороды(HC),а также сероводород(N2S), сероуглерод (СS2), аммиак (NH3), различные галогеносодержащие газы.

Существуют 3 основных источника образования газообразных загрязнений: сжигание горючих материалов, промышленные производственные процессы и природные источники. В результате сжигания топлива образуется 78% диоксида серы от общего его количества. Углеводороды, опасность появления которых связана с тем, что они являются промежуточными продуктами в процессе образования озона, поступают в атмосферу при сжигании топлива и при переработке нефтепродуктов, кроме того, многие углеводороды выделяются в процессе роста и размножения растений. Значительные количества оксидов серы выбрасываются в атмосферу при производстве меди, свинца и цинка из сульфидных руд, а также в процессе очистки нефтепродуктов. Большая часть выбросов SO2 связана со сжиганием топлива в топках для получения необходимого для процесса тепла. Образующиеся газы, содержащие SO2, обычно используются для производства серной кислоты. Оксиды серы также возникают в процессе производства бумаги и целлюлозной массы в результате сжигания серосодержащих материалов. Загрязнение атмосферы углеводородами происходит от химических предприятий, нефтеперабатывающих и металлургических заводов. Углеводороды выделяются в процессе производства пластмасс, красителей, пищевых добавок, парфюмерных продуктов, смол, пластификаторов, пигментов, пестицидов, а также при переработке каучуков и нефтехимических продуктов. Среди химических соединений, выбрасываемых в атмосферу, содержится достаточно большое число ядовитых веществ. В настоящее время к опасным загрязняющим веществам относятся пары ртути, винилхлорид и бензол, содержание которых в атмосфере подлежит специальному контролю. Энергетика также является главным источником выбросов диоксида серы, а также главным источником дисперсных загрязнителей и оксида азота. Газообразные загрязнители возникают в процессе горения, а дисперсные - механическая пыль, может выдуваться при разгрузке и транспортировке угля по конвейеру, а также при удалении и складировании топочной золы. Пыление угля происходит в результате ветровой эрозии. Использование природного угля в качестве топлива является более эффективным. Хотя природный газ рассматривается как относительно чистое топливо, при его сгорании также образуются загрязняющие вещества: оксиды азота, оксиды углерода, углеводороды, дым.

Ещё одним немаловажным источником загрязнения атмосферы является сжигание твёрдых городских отходов. Во всех цивилизованных мирах для этих целей существуют мусоросжигательные печи, от конструкции которых зависят составы выбросов. Дымовые выбросы состоят из относительно безвредных газообразных продуктов сгорания: диоксида углерода, воды, инертного азота. Но их избыток может привести к образованию шлейфа тумана. Для улавливания дымовых выбросов используют различные фильтры и улавливатели. Загрязнение окружающей среды выбросами двигателей внутреннего сгорания привлекают всё более пристальное внимание из-за возросшей угрозы здоровью человека.

ПАРНИКОВЫ Й ЭФФЕКТ.

Учёные предупреждали, что потепление климата на планете и истощение защитного озонного слоя ставят под угрозу само существование человечества. Если верить прогнозам, то потепление мирового климата на сегодняшний день представляет наиболее серьёзную угрозу среде обитания. Развитие промышленности до сих пор основано на сжигании ископаемого органического топлива: нефти, угля, газа, в результате чего в атмосферу выбрасывается около 6 миллиардов тонн углекислого газа в год. В тропических районах сжигают леса, расчищая землю под пастбища и пахоту. В результате в атмосферу попадает ещё больше углекислого газа. Он накапливается в атмосфере быстрее, чем поглощается природными процессами, образуя над землёй нечто вроде не вполне прозрачного окна. Вследствие накопления большого количества углекислого газа создаются условия, аналогичные парниковым, когда видимые лучи Солнца достигают земной поверхности и нагревают её, но инфракрасное излучение не уходит обратно в космос. В какой-то мере парниковый эффект существует в природе, без него жизнь на земле была бы невозможна. Но в результате человеческой деятельности в атмосферу выбрасывается столько углекислого газа, что она нагревается сейчас быстрее, чем когда бы, то ни было со времени последнего ледникового периода. Хотя на три пятых парниковый эффект объясняется накоплением в атмосфере углекислого газа, другие газы тоже способствуют его возникновению. Вторым по важности является метан, выделяемый бактериями, живущими в почве, на которой выращивается рис, а также в кишечнике крупного и мелкого рогатого скота. На парниковый эффект впервые обратил внимание шведский химик Сванте Аррениус в 1896 году. Ему не придавали значения, пока не появились усовершенствованные компьютеры. С помощью которых оказалось возможным предсказывать изменение температуры Земли на несколько ближайших десятилетий. Было обнаружено, что содержание углекислого газа в атмосфере возросло на 25% по сравнению с 1880 годом. Вычисления показывают, что когда концентрация углекислого газа вдвое превысит уровень, существовавший до начала промышленной революции, температура на Земле возрастёт на 2-5◦С . Учёные согласны в том, что накопление «парниковых» газов, поднимет среднюю температуру Земли и увеличит количество осадков если они не вызовут какой-либо непредвиденной контрреакции, эти две тенденции приведет к далеко идущим последствиям. Поскольку вода при нагревании расширяется, уровень океана будет подниматься, причём эту тенденцию ускорит таяние полярных льдов. По прогнозам, к 2050 году уровень моря может подняться больше чем на метр. Затопление прибрежных районов, в которых проживает свыше трети населения земного шара, вызовет массовые переселения. В то же время некоторым регионам это потепление пойдёт на пользу: например, огромные пространства на севере Канады и в России станут доступными для освоения по мере оттаивания тундры. Однако в мировом масштабе выигравших от глобального потепления климата будет несравненно меньше, чем проигравших. Соединённые Штаты, согласно исследованиям, окажутся среди наиболее пострадавших стран. В Калифорнии повышение средней температуры приведёт к увеличению расхода электроэнергии, усилению озонного загрязнения атмосферы в городах и иссушению почвы, что вызовет оскудение водных ресурсов. В результате повышения уровня моря залив Сан-Франциско разольётся, и солёная вода поднимется на 10 км вверх по течению в дельтах рек Сакраменто и Сан-Хоакин, с катастрофическими последствиями для этого высокопродуктивного сельскохозяйственного района. Аналогичные проблемы возникнут на юго-востоке страны, где положение обостряется тем, что повышение температуры приведёт к вымиранию лесов, которое начнётся уже в 2118 году. В целом по стране ежегодная стоимость электроэнергии, расходуемой на кондиционирование воздуха и другие нужды, к 2055 году достигнет огромной суммы. На Среднем Западе засуха заметно снизит урожаи. Засуха также понизит уровень воды в Великих Озёрах, так что придётся рыть каналы для прохода судов. Это активизирует загрязнения, осевшие на дне озёр. Агентство охраны окружающей среды заключает, что парниковый эффект представляет гораздо большую угрозу природным системам – лесам, болотам, пресноводным озёрам, чем здоровью человека. Из-за этого будет очень трудно принять меры для замедления этой тенденции. Если это случится, придётся строить дамбы, чтобы защитить густонаселённые побережья от наступления моря, строить дополнительные электростанции для питания кондиционеров воздуха, углублять акватории портов и фарватеры для прохождения судов в мелеющих озёрах и реках. Но даже такие меры окажутся безрезультатными при отсутствии международного сотрудничества. Мы вместе должны решать этот вопрос. В 1970 году в Америке был принят закон по защите окружающей среды, закон о чистой воде - в 1977 году. Для контроля над их исполнением было создано федеральное Агентство охраны окружающей среды (АООС). Благодаря - нему удалось уменьшить количество многих типов загрязнений, выбрасываемых в окружающую среду. Хотя Соединённые Штаты больше, чем кто-либо другой, несут ответственность за потепление мирового климата, им одним не под силу остановить этот процесс.

Тяжелые метталы в экосфере

Среди загрязнителей биосферы, представляющих наибольший интерес для различных служб контроля ее качества, металлы (в первую очередь тяжелые, то есть имеющие атомный вес больше 40) относятся к числу важнейших. В значительной мере это связано с биологической активностью многих из них. На организм человека и животных физиологическое действие металлов различно и зависит от природы металла, типа соединения, в котором он существует в природной среде, а также его концентрации.
Для контроля качества поверхностных вод созданы различные гидробиологические службы наблюдений. Они следят за состоянием загрязнения водных экосистем под влиянием антропогенного воздействия. Поскольку такая экосистема включает в себя как саму среду (воду), так и другие компоненты (донные отложения и живые организмы - гидробионты), сведения о распределении тяжелых металлов между отдельными компонентами экосистемы имеют весьма важное значение. Надежные данные в этом случае могут быть получены при использовании современных методов аналитической химии, позволяющих определить содержание тяжелых металлов на уровне фоновых концентраций.
К сложной и многогранной проблеме, которую представляют собой химические загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами и которая охватывает различные дисциплины и уже превратилась в самостоятельную междисциплинарную область знаний, профессиональный интерес проявляют не только химики-аналитики, биологи и экологи (их деятельность традиционно связана с этой проблемой), но и медики. В потоке научной и научно-популярной информации, а также в средствах массовой информации все чаще появляются материалы о влиянии тяжелых металлов на состояние здоровья человека. Так, в США обратили внимание на проявление агрессивности у детей в связи с повышенным содержанием в их организме свинца. В других регионах планеты рост числа правонарушений и самоубийств также связывают с повышением содержания этих токсикантов в окружающей среде. Представляет интерес обсуждение некоторых химических и эко-химических аспектов проблемы распространения тяжелых металлов в окружающей среде.

Биосфера: царство природа №2

4. Глобальные нарушения биосферы в результате хозяйственной деятельности человека

В настоящее время влияние человека на биосферу носит разрушительный характер, и есть все основания говорить лишь о техносфере как «сфере неразумности». Главными глобальными последствиями этого влияния являются: 1. Нарушение литосферы. 2. Парниковый эффект. 3. Разрушение озонового слоя. 4. Кислотные дожди и т.д.

1. Разрушение литосферы.

Масштабы техногенного влияния человека на литосферу достигли колоссальных величин, которые превышают интенсивность естественных потоков вещества и позволяют делать вывод, что сегодня человек является главной геологической силой планеты.

Сжигание минерального топлива(углеродистых энергоносителей) и твёрдый сток, который благодаря человеку резко усилился за счёт эрозии почв, являются сегодня главными факторами, усиливающими процесс перемещения твёрдого вещества на планете.

При этом интенсивность вмешательства в геологическую среду возрастает с увеличением энерговооружённости человека. Скорость строительства крупных гидросооружений за последние столетия возросла в 10 раз.

Масштабные вмешательства человека в биосферу стали причиной землетрясений. Чаще всего землетрясения техногенного происхождения возникают в связи с созданием крупных и глубоких водохранилищ.

В настоящее время искусственные(или техногенные) грунты уже покрывают более 55% площади суши Земли. Но их распространение крайне неравномерно, и в ряде урбанизированных районов (Европа, Япония, Гонконг и др.) искусственные грунты покрывают 95- 100%територии, а их мощность достигает нескольких десятков метров.

2.Уничтожение лесов.

Глобальный характер имеют и последствия уничтожения лесов, которые являются мощнейшим климатообразующим факторами и обеспечивают буферность биосферы при поддержании циклов углекислого газа и кислорода.

Около 10 тыс.лет назад, ещё до того, как человек стал заниматься сельским хозяйством, на земном шаре существовали обширные массивы лесов, общая площадь которых составляла примерно 62млн.кв.вм.Однако в течение многих веков в результате расчистки земельных угодий под пашню и пастбища, заготовок деловой древесины и вырубки деревьев на топливо мировой ареал лесных экосистем сократился приблизительно до 42 млн.кв.км,т.е.почти на одну треть по сравнению с досельскохозяйственным периодом. Площадь лесов продолжает уменьшаться и сегодня – в среднем ежегодно на 1.5-2%. На 10 вырубленных гектаров приходится всего 1 гектар лесных посадок, т.е.соотношение составляет 10:1.

Так во Франции леса, некогда покрывавшие 80 % территории, уже в 1789 г.занимали лишь 14 %площади. На территории нынешних США до появления первых английских колонистов, площадь лесной растительности достигала 385 млн га; к 1920г.здесь леса сохранились на 249 млн га, т.е.площадь леса сократилась более, чем на одну треть.

3.Парниковый эффект.

Парниковый эффект- Один из наиболее опасных глобальных процессов, протекающих в биосфере под влиянием человека. В результате нарушения естественного цикла углерода и увеличения содержания в атмосфере углекислого газа при сжигании большого количества ископаемого топлива, разрушении гумуса почв и осушении болот происходит потепление климата. Количество солнечной энергии, поступающей на поверхность планеты, превышает количество энергии, которая отражается поверхностью. Углекислый газ (а также метан, пыль и некоторые другие загрязнители атмосферы), таким образом, играет роль, подобную полиэтиленовой плёнки над парником.

Мировое сообщество предпринимает усилия для предотвращения парникового эффекта как уменьшением выброса в атмосферу углекислого газа, так и путём прекращения рубки лесов и увеличение их площади за счёт искусственных посадок.

4.Разрушение озонового слоя.

Озоновый слой-слой атмосферы с повышенным содержанием озона. Он расположен на высоте 20-45км. Содержание озона в нём примерно в 10 раз выше, чем в атмосфере у поверхности Земли. Озоновый слой защищает поверхность планеты от солнечного излучения высокой энергии-ультрафиолетовых лучей, избыток которых неблагоприятно влияет на живые организмы.

В настоящее время отмечено ухудшение состояния озонового слоя и образование озоновых дыр над полюсами Земли, что представляет экологическую опасность. Полагают, что причиной этих явлений является попадание в озоновый слой хлора и оксидов азота.

5.Кислотные дожди.

Кислотные дожди- осадки, в которых растворены серная и азотная кислоты. Кислотные дожди образуются в результате выброса в атмосферу оксидов серы и азота. Кислотные дожди оказывают отрицательное влияние на экосистемы.

Пагубная роль кислотных дождей может быть уменьшена только при сокращении выбросов в атмосферу диоксида серы за счёт использования на предприятиях малоотходных технологий и фильтров на дымовых трубах.

Вывод

Биосфера – тонкая оболочка планеты Земля, в которой обитают живые организмы, преобразующие верхний слой земной коры и океан. Биосфера- дом человека, и человек сохранится в том случае, если сохранит биосферу.

Биосфера: царство природы №1

1. Общие представления о биосфере

Все экосистемы Земли совокупно составляют БИОСФЕРУ, тонкий (по сравнению с остальной частью планеты слой жизни. Границы биосферы разными исследователями проводятся по-разному. Однако чаще в неё включают слой атмосферы толщиной 25-35 км (до озонового слоя), слой земной коры суши толщиной 3 км, где расположены нефтегазоносные воды с бактериальным населением, океан – до глубины 11 км. Тем не менее, жизнь в биосфере концентрируется в значительно более тонком слое, так как с удалением от поверхности суши или океана её интенсивность, измеряемая количеством продуцироемого органического вещества, резко падает.

Сухопутная часть биосферы называется ТРОПОСФЕРОЙ, водная- ГИДРОСФЕРОЙ.

Первым о существовании слоя жизни говорил Ж.-Б.Ламарк (1802), автором термина « биосфера « является Э.Зюсс (1875), однако, учение о биосфере было создано выдающимися русскими учёными В.И.Вернадским(1926). В дальнейшем предполагались другие термины, например» гея» (по имени богини земли ГЕИ). Автор этого термина Дж. Ловелок понимал под геей биологически регулируемый поверхностный слой планеты. Тем не менее, термин «биосфера» приоритетен, и само по себе учение Вернадского имеет непреходящее значение. Вернадский связал с жизнедеятельностью организмов формирование атмосферы, всего комплекса органических и неорганических веществ, включающих углерод, и т.д.

Биомасса биосферы оценивается в 2,5 триллиона тонн сухого вещества, причём на суше расположено 99% этой биомассы. Обитающие в водной среде планктонные организмы имеют непродолжительную жизнь, но, несмотря на столь незначительную биомассу, дают до 13 продукции биосферы. Более выровненная среда океана объясняет то, что биологическое разнообразие в нём беднее, чем на суше: соотношение числа морских и сухопутных видов – 1:5.

Определение функции биосферы очень точно дали Дж.Аллен и М. Нельсон: «Биосфера на нашей планете выполняет уникальную и исключительно важную функцию, действуя в качестве механизма выработки и накопления свободной энергии, а также термодинамического показателя имеющейся энергии, благодаря которой она организуется, совершенствуется, преобразует себя в среду» (1991г.).

В биосфере сегодня разнообразие органических соединений неизмеримо выше, чем неорганических (примерное соотношение – 2 миллиона к 20 тысячам!). По эффективности «лаборатории» биосферы намного превосходят лаборатории химиков и цеха предприятий. Поразительна способность живого вещества связывать азот. На предприятии это требует огромной энергии для обеспечения давления в 300 атмосфер и температуры в 500 градусов С.

2. Царства природы

Живое население биосферы разнообразно. В настоящее время известно около 2 млн. видов, но, по некоторым данным, их количество приближается к 5 млн. (Р.Мей). Считается, что расширение знаний о числе видов будет достигнуто в основном за счёт простейших животных, в первую очередь – с паразитным типом питания.

Биологическое разнообразие планеты объединено в четыре царства природы. Группа организмов разных царств образуют самые крупные функциональные блоки биосферы как самой большой экосистемы.

ГРУППЫ ОРГАНИЗМОВ.

1. Дробянки (прокариоты) – безъядерные организмы, которые играют роль редуцентов, биологических азотфиксаторов, продуцентов (хемотрофов и фототрофов).

В составе царства -два подцарства:

Бактерии – организмы микроскопически малых размеров, преимущественно с гетеротрофным типом питания, которые играют важную роль в функционировании естественных и искусственных экосистем. Им принадлежит ведущая роль в круговоротах элементов питания. Бактерии выступают в качестве регуляторов плотности популяций организмов (микропаразиты), вступают с растениями и животными в симбиотические отношения типа сотрудничества – мутуализма (бактерии желудка жвачных животных, бактерии -азотфиксаторы на корнях бобовых и вокруг корней растений любых семейств). Существуют бактерии, которые используют в качестве источника энергии свет (окрашенные в красный, оранжевый, зелёный цвета хлорофиллами и каротиноидами). Однако при этом варианте фотосинтеза свободный кислород не выделяется.

Цианеи (сине-зелёные водоросли) – микроскопические одноклеточные и многоклеточные организмы, которые обитают в воде и почве, они являются фототрофами и биологическими азотфиксаторами. При « растекании жизни» (В.И. Вернадский) цианеи становятся пионерами, заселяющими самые бедные и холодные субстраты, обнажающиеся при таянии ледников.

Три остальные царства представлены эукариотами, т.е. организмами, клетки которых имеют ядра.

Растения – фототрофные организмы, размножающиеся спорами (мхи, плауны, хвощи, папоротники) или семенами (голосеменные, цветковые). К растениям также относятся разнообразные водоросли, входящие в состав водных экосистем и обитающие в почве. Совокупность видов растений называется флорой.

Все растения, независимо от сложности их организации и условий среды, которые требуются им для жизни, выполняют одну биосферную функцию – фиксируют солнечную энергию и используют неорганический углерод в процессе фотосинтеза, снабжая органическим веществом все остальные группы организмов экосистемы. Условно к растениям относятся лишайники – сложные организмы из гриба и водоросли, которые связаны отношениями мутуализма.

Разнообразие растений в мире достаточно велико. В их составе- около 300 тысяч видов цветковых растений, около 700 видов голосеменных, 10 тысяч видов папоротникообразных. Количество мохообразных составляет примерно 25 тысяч видов, водорослей – около 10 тысяч видов.

Животные- разнообразнейшее царство природы, гетеротрофы. Совокупность видов животных называется фауной. В составе этого царства около 4 тысяч видов млекопитающих, 9 тысяч видов птиц, 20 тысяч видов рыб, 25 тысяч видов амфибий, 5,5 тысяч видов рептилий, около 1 миллиона видов насекомых и свыше 500 тысяч видов прочих низших животных (черви, кишечнополостные, моллюски, различные одноклеточные).Только на территории России встречается 20видов амфибий, 50 видов рептилий, 700 видов птиц, 245 видов млекопитающих. Животные населяют все среды жизни – водоёмы, почвы и приземистый слой атмосферы.

В экосистемах животные входят в состав групп фитофагов, зоофагов (хищников разных порядков), паразитов, детритофагов (поедателей мёртвого органического вещества.). Разделение животных по этим трофическим группам часто условно, так как многие из них характеризуются смешанным типом питания. Так, птицы в период откорма потомства- типичные хищники, питающиеся насекомыми, но в другие периоды года они могут довольствоваться семенами и плодами. Смешанный рацион питания (из растительной и животной пищи) имеет большинство карповых рыб, а также представители млекопитающих- медведь, лиса, свинья, крыса и др. Животные- фитофаги и паразиты- основные регуляторы плотности популяций и переносчики семян для многих видов растений.

Грибы - совокупность гетеротрофных организмов, отличающихся от животных тем, что они ведут прикреплённый образ жизни и имеют неограниченный рост. Раньше грибы включались в царство растений. Грибы различают по размерам - от микроскопических(дрожжевых) до гигантских дождевиков с весом плодового тела в 50 кг- и разделяют на несколько функциональных групп:

Сапротрофы- редуценты, разрушающие мёртвое органическое вещество.

Симбиотрофы- входят в симбиоз с корнями высших растений и формируют микоризу, что облегчает поглощение растениями питательных элементов из почвенного раствора.

Паразиты - регулируют плотность популяции растений и животных. Грибные болезни (головня, ржавчина и др.) наносят ущерб сельскому хозяйству.

3. Основные циклы веществ в биосфере

Химические элементы циркулируют в биосфере. Циклы веществ характеризуются скоростью, замкнутостью и типом запасного фонда. Газообразные формы составляют подвижный, обменный фонд, а твёрдые и жидкие соединения с его участием- консервативный, резервный фонд, очень медленно вовлекаемый в круговорот.

Важнейшие циклы биосферы:

1. Круговорот воды в биосфере происходит по схеме: выпадение атмосферных осадков, поверхностный и внутрипочвенный сток в водоёмы, испарение, перенос водяного пара, конденсация, повторное выпадение осадков и т.д. Вода испаряется не только поверхностью водоёмов и почв, но и живыми организмами, ткани которых на 70% состоят из воды. Большое количество воды испаряется растениями; они используют воду как элемент питания, как среду, в которой протекают жизненные процессы, и как субстанцию, вместе с которой поступают к ним из почвы питательные вещества.

До развития цивилизации круговорот воды был равновесным. Однако вмешательство человека существенно нарушило этот цикл, особенно в последние десятилетия. В частности, уменьшается испарение воды лесами ввиду сокращения их площади и, напротив, увеличивается испарение с поверхности почвы при орошении сельскохозяйственных угодий. Испарение с поверхности океана уменьшается вследствие появления на воде тончайшей плёнки нефти. Наконец, на круговорот воды воздействует парниковый эффект- потепление климата под влиянием повышения концентрации углекислого газа в атмосфере. При усилении этих тенденций могут произойти значительные изменения круговорота воды. Это уже проявляется в неравномерности распределения осадков по территории планеты. В результате этого, в одних районах происходят небывалые по масштабам наводнения, а в других- жестокие засухи.

2.Круговорот кислорода в биосфере осуществляется за счёт пополнения атмосферных запасов кислорода в результате фотосинтеза растений, его поглощения при дыхании организмов, сжигание топлива в промышленности и на транспорте. В настоящее время поддерживается равновесный круговорот кислорода. Сохранение равновесного круговорота кислорода является одной из глобальных задач охраны природы.

3.Круговорот углерода - один из самых важных циклов в биосфере, так как углерод составляет основу органических соединений. Особенно велика в круговороте роль углекислого газа, который поступает в атмосферу при дыхании организмов, сжигании органического топлива, осушении болот и дегумификации почв. В то же время общее уменьшение площади, занятой растительностью, в результате строительства и в особенности сведения лесов уменьшает потребление углекислого газа растениями. Итогом нарушения круговорота углерода может быть парниковый эффект.

4. Круговорот азота - обмен между инертным азотом атмосферы и соединениями азота в почвах и организмах. Круговорот азота протекает по следующей схеме: перевод инертного азота в доступные для растений формы (образование аммиака при грозовых разрядах, производство азотных удобрений на заводах), усвоение азота растениями, переход части азота растений в ткани животных, разложение отмерших растений и трупов животных микроорганизмами - редуцентами вплоть до восстановления молекулярного азота, который возвращается в атмосферу.

В настоящее время биологическая азотфиксация уменьшилась вследствие разрушения естественных экосистем и сравнялась с промышленной фиксацией азота. Происходит повсеместное уменьшение содержания органических соединений азота в почве (разрушение гумуса), что ведёт к снижению плодородия почв. Увеличение производства азотных удобрений для компенсации уменьшения биологического азота ведёт к загрязнению среды и расходованию большого количества энергии.

Экология ставит задачей восстановление естественного цикла азота за счёт уменьшения производства азотных удобрений и расширения посевов бобовых, которые симбиотически связаны с бактериями- азотфиксаторами.

5.Круговорот фосфора. В отличие от циклов углерода и азота, которые являются закрытыми, этот круговорот – открытый, т.е.часть вещества постоянно теряется. Фосфор содержится в горных породах, откуда выщелачивается в почву и усваивается растениями, а затем по пищевым цепям переходит в тела животных. После разрушения мёртвых животных и растений редуцентами только часть фосфора вовлекается в круговорот и повторно используется растениями. Остальной фосфор вымывается из почвы в водоёмы – реки, озёра, моря, где оседает на дно и либо совсем не возвращается на сушу, либо в небольших количествах возвращается с выловленной человеком рыбой и с экскрементами птиц, питающихся рыбой.

Отток фосфора с суши в океан усиливается при сведении лесов, распашке почв и внесении фосфорных удобрений. Поскольку запасы фосфора на суше ограниченны, а его рециклинг из океана проблематичен, в перспективе земледелие ожидает кризис фосфора, что вызовет снижение урожаев. Кроме того, фосфорные удобрения содержат примесь тяжёлых металлов, и потому при их использовании возможно загрязнение почв.

Нитраты, природа и человек

Нитраты (соли азотной кислоты) – один из элементов питания растений. Их содержание в овощах зависит более чем от 20 самых важных факторов, половиной из которых можно управлять. К основным факторам, вызывающим накопление нитратов в овощах, относятся биологические особенности и сортовые признаки растений, уровень плодородия почвы, температура и влажность почвы и воздуха, интенсивность и продолжительность освещения, технология выращивания овощных растений.

С овощами и фруктами в организм человека поступают до 70 – 80% нитратов. Сами по себе они не представляют опасности для здоровья, тем более, что большая часть этих соединений выделяется с мочой (65 – 90% за сутки). Однако часть нитратов (5-7%) при избыточном их содержании в овощах, в желудочно-кишечном тракте может перейти в нитриты ( соли азотистой кислоты ), которые оказывают вредное воздействие на организм.

Вредное воздействие нитратов и нитритов на организм проявляется в следующем.

Во-первых, попадая в кровь, нитриты окисляют двухвалентное железо в трехвалентное. При этом образуется метгемоглобин, неспособный переносить кислород к тканям и органам, в результате чего может наблюдаться удушье. Угроза для жизни начинает возникать тогда, когда уровень метгемоглобина в крови достигает 20% и выше. Снижается давление крови и нарушаются функции печени. В результате чего уменьшается физическая и умственная активность человека.

Особенно чувствительны к действию нитритов и нитратов дети раннего возраста, что связано со слабым функционированием у них ферментативной системы. Именно поэтому в некоторых странах, например в Швеции, не рекомендуется давать детям раннего возраста отдельные виды овощных растений, выращенных с применением искусственных удобрений, если даже содержание нитратов в них не превышает допустимого уровня.

К группе повышенной опасности поражения организма нитратными соединениями кроме детей относятся также лица, страдающие заболеваниями сердечно-сосудистой и дыхательной систем, беременные женщины, пожилые люди, у которых и без воздействия солей азотной или азотистой кислоты наблюдается недостаточная обеспеченность кислородом органов и тканей. Чувствительность повышается в горной местности; при содержании в воздухе окислов азота, угарного газа, углекислоты. Усиливает их токсичность также прием спиртных напитков.

Во-вторых, опасность поступления нитратов и нитритов в организм в повышенных количествах связывается с их выраженным канцерогенным действием.

Косвенным подтверждением канцерогенности нитратов и нитритов остается тот факт, что у лиц с пониженной кислотностью желудочного сока более высокая частота рака желудка.

Доказано, что аскорбиновая кислота, а также витамины А и Е, являясь ингибиторами, нейтрализуют вредное действие попавших в организм нитратов и нитритов. Факт признанный, но все зависит от поступившей дозы нитратов и нитритов, ведь количества аскорбиновой кислоты в зеленых растениях, овощах и фруктах тоже лимитировано.

Решить проблему нитратов возможно за счет нормального внесения азота на основе почвенной и растительной диагностики, применения медленно действующих удобрений и ингибиторов нитрификации, выращивания овощных растений с пониженным уровнем нитратов, сбалансированного питания растений по фосфору, калию и микроэлементам, равномерного внесения по площади, выравнивания поверхности полей (участка) и др.

Получить абсолютно без нитратный урожай овощей практически невозможно, но возможно максимально снизить в нем уровень нитратного азота. Кроме того, употреблять следует только свежеприготовленные овощные блюда. В совершенно свежих с виду, но постоявших некоторое время ( пусть даже в холодильнике) салатах и других овощных блюдах нитраты преобразуются в нитриты. Поэтому не готовьте еду впрок, на несколько дней вперед.

Допустимые уровни нитратов в овощах

Разработка системы контроля посторонних веществ в сырье и готовой продукции – одна из важнейших задач, имеющих огромное значение для повышения качества продукции и главное - безопасности для здоровья людей. Решение этой весьма важной задачи возможно, в частности, путем принятия соответствующих постановлений, касающихся ограничений в содержании определенных веществ в овощной продукции.

В природе нет абсолютно чистых продуктов питания. Нитраты в окружающей среде были и будут. Все дело в том, сколько накапливается их в продуктах. Нам необходим такой уровень нитратов, который не представляет опасности для здоровья человека.

Продовольственной и сельскохозяйственной комиссией ФАО ООН установлено предельно допустимое количество ( ПДК ) потребления человеком нитратов в сутки – 500 мг. В странах СНГ для взрослого человека допустимая суточная доза нитратов принята равной 300-325 мг (среднее 312,5 мг), для детей и рассчитывают исходя из 5 мг нитратов на 1 кг массы тела.

Поскольку овощи в сыром виде употребляют относительно небольшими порциями ( на порцию в качестве приправы расходуется 35 г салата, для гарнира вместе с другими продуктами 75г ), то опасность нитратного отравления практически невелика. Токсичной является доза 700 мг нитратов для взрослого человека массой 70 кг. Для получения такой дозы человек должен съесть в один прием 1750 г тепличных огурцов, 1165 г капусты, 1750 г моркови, 777 г свеклы, 875 г редиса или 1000 г салата ( по максимальному уровню ). Так как эти овощи в таких количествах не употребляются, это снижает опасность нитратного отравления при включении их в рацион питания.

Регламенты допустимого содержания нитратов в продуктах питания разработаны с учетом реальных уровней нитратов, обнаруживаемых в овощах Украины, их суточной нагрузки на население, а также с учетом возможности практического достижения рекомендуемых концентраций. В ряде стран гигиенические регламенты имеют большие величины. Во всех странах ЕЭС нормативы установлены только для листовых и салатных овощей ( до 3000 – 2500 мг/кг ) и для детского питания, к нему требования жестче ( 200 мг/кг ).

Всемирная организация здравоохранения ( ВОЗ ) при ФАО, установила ПДК нитратов и нитритов. Суточная допустимая доза составляет 3,7 мг нитратов на 1 кг массы тела, а нитритов – 0,2 мг на кг массы тела. Это означает, что человек массой 70 кг может без опасности для своего организма потреблять до 250 мг нитратов в сутки ( в пересчете на нитрат натрия до 350 мг ) и нитритов до 15 мг в сутки.

Однако нитраты поступают в организм не только с овощами. Определенное количество их попадает с питьевой водой. Доказано, что влияние нитрат – ионов, содержащихся в пище, почти на четверть слабее, чем растворенных в воде. Причем в воде они в чистом виде, не в связанном, как в растениях, а именно «чистые» нитраты для организма намного опаснее. По ГОСТу в одном литре воды может содержаться до 45 мг/л нитратов. В среднем человек выпивает 2 л воды в сутки. Поэтому на долю растительных и других продуктов остается до 235 мг. Это количество распределяется на все основные виды растительных продуктов ( мясные и молочные в расчете не учитывается, поскольку содержание нитратов в них незначительно ).

Исследования показали : избыточное накопление нитратов отмечено в продукции защищенного грунта. Особенно много их обнаружено в тепличном салате, редисе и луке зеленом, а в отдельных случаях – и в огурцах. Это связано с выращиванием растений на богатых органикой и азотным питанием грунтах, и неблагоприятными, особенно в зимний период, условиями синтеза нитратов.

Но учитывая, что ассортимент и удельная масса потребления ранних овощей ( с коротким вегетативным периодом) и овощей из защищенного грунта, сравнительно велики, регламенты для них увеличены в 2 раза. В продуктах детского питания ( консервированные овощи ) допустимо иметь не более 200 мг нитратов в расчете на 1 кг сырой массы ( в Болгарии и Венгрии – 400 мг ).

В настоящее время в Европе появляются так называемые «чистые» фермерские хозяйства. В данных хозяйствах абсолютно вся продукция выращивается в значительном удалении от каких бы то ни было возможных источников загрязнения, а также без применения не только любых видов удобрений, но и использования сельскохозяйственной техники ( только ручной труд ). Для защиты, например, от вредителей в таких хозяйствах применяют не химические способы, а естественных врагов и конкурентов для насекомых вредителей. Вся продукция маркируется специальным символом, который отличает ее от других на рынке продуктов питания. В основном продукция с таких хозяйств используется для детского питания, хотя продукты полученные таким способом являются весьма дорогостоящими они находят своего покупателя.

Биологические особенности растений и накопление нитратов

Накопление нитратов в овощных растениях во многом определяется их биологическими особенностями 6 разные виды обладают неодинаковой способностью аккумулировать нитраты.

К овощам, характеризующимся способностью аккумулировать большое количество нитратов, относятся зеленые – салат кочанный, шпинат, укроп, кольраби, ревень, редис, редька и свекла столовая. Склонны к избыточному поглощению таких соединений патиссоны и тыквы. В них содержание этих веществ колеблется от 1200 до 5000 мг/кг сырой массы. Среднее положение (100 – 1000 мг/кг) занимают баклажаны, дыни, капуста, морковь, огурцы, петрушка, сельдерей, чеснок, фасоль. Сравнительно низкая концентрация нитратов ( 60 - 90 мг/кг ) свойственна арбузам, зеленому горошку, картофелю, луку, перцам, томатам. Как правило, концентрация нитратов в овощах защищенного грунта больше в 2 раза, чем в овощах открытого грунта. По возрастанию концентрации нитратов тепличные растения располагаются в следующем порядке: томаты, огурцы, лук репчатый на зелень, капуста цветная, редис, салат кочанный, салат листовой.

В растениях, выращенных в оптимальных условиях, нитраты содержатся в низких концентрациях. При нарушении обмена в растениях их накапливается значительное количество ( таблица 1 ).

Содержание нитратов связано также с морфологическими признаками и физиологическими особенностями отдельных органов растений: типов листьев, размеров листовых черешков и жилок, диаметром корнеплодов, длиной и диаметром плода. В различных частях растений содержится разное количество нитратов. Больше всего их в тех частях, в которых находится больше ксилемных тканей и в которых хорошо развиты вакуоли, то есть в частях, обеспечивающих транспортировку из почвы питательных веществ в другие части растения. В генеративных органах растений нитратов мало. Наибольшее количество нитратов содержится в корнях, жилках и черенках листьев, стеблях, наименьшее – в мякоти листьев и плодах. В кожице и поверхностных слоях плодов содержание нитратов значительно выше. Зная особенности накопления и распределения нитратов в различных органах овощных растений при технической или биологической спелости, можно определить степень использования их в питании человека. В капусте белокочанной нитраты распределяются неравномерно. Верхние кроющие листья кочана содержат нитратов примерно в два раза больше ( 150 мг на 1 кг сырой массы), чем внутренние (78 мг/кг). Поэтому перед употреблением срезают верхние листья и из кочана удаляют кочерыжку. Её можно употреблять отдельно, но в очень ограниченных количествах.

Загрязнение вод мирового океана

Нашу планету вполне можно было бы назвать, Океанией, так как площадь, занимаемая водой, в 2,5 раза превышает территорию суши. Океанические воды покрывают почти 3/4 поверхности земного шара слоем толщиной около 4000 м, составляя 97 % гидросферы, тогда как воды суши содержат всего лишь 1 %, а в ледниках сковано только 2 %. Мировой океан, являясь совокупностью всех морей и океанов Земли, оказывает огромное влияние на жизнедеятельность планеты. Огромная масса вод океана формирует климат планеты, служит источником атмосферных осадков. Из него поступает более половины кислорода, и он же регулирует содержание углекислоты в атмосфере, так как способен поглощать ее избыток. На дне Мирового океана происходит накопление и преобразование огромной массы минеральных и органических веществ, поэтому геологические и геохимические процессы, протекающие в океанах и морях, оказывают очень сильное влияние на всю земную кору. Именно Океан стал колыбелью жизни на Земле; сейчас в нём обитает около четырёх пятых всех живых существ планеты.

Судя по фотографиям, сделанным из космоса, нашей планете больше подошло бы название “Океан”. Выше уже было сказано, что 70,8 % всей поверхности Земли покрыто водой. Как известно на Земле 3 основных океана - Тихий, Атлантический и Индийский, но антарктические и арктические воды тоже считаются океанами. Причём Тихий океан по своей площади превосходит все материки вместе взятые. Эти 5 океанов представляют собой не обособленные водные бассейны, а единый океанический массив с условными границами. Русский географ и океанограф Юрий Михайлович Шакальский назвал всю непрерывную оболочку Земли - Мировым океаном. Это современное определение. Но, кроме того, что когда-то все материки поднялись из воды, в ту географическую эпоху, когда все континенты уже, в основном, сложились и имели очертания, близкие к современным, Мировой океан овладел почти всей поверхностью Земли. Это был Вселенский потоп. Свидетельства о его подлинности не только геологические и библейские. До нас дошли письменные источники - шумерские таблички, расшифровки записей жрецов Древнего Египта. Вся поверхность Земли, за исключением некоторых горных вершин, была покрыта водой. В Европейской части нашего материка водяной покров достигал двух метров, а на территории современного Китая - около 70 - 80 см.

Ресурсы мирового океана

В наше время, «эпоху глобальных проблем», Мировой океан играет всё большую роль в жизни человечества. Являясь огромной кладовой минеральных, энергетических, растительных и животных богатств, которые - при рациональном их потреблении и искусственном воспроизводстве - могут считаться практически неисчерпаемыми, Океан способен решить одни из самых остро стоящих задач: необходимость обеспечения быстро растущего населения продуктами питания и сырьём для развивающейся промышленности, опасность энергетического кризиса, недостаток пресной воды.

Основной ресурс Мирового океана – морская вода. Она содержит 75 химических элементов, среди которых такие важные как уран, калий, бром, магний. И хотя основной продукт морской воды всё ещё поваренная соль - 33 % от мировой добычи, но уже добываются магний и бром, давно запатентованы методы получения целого ряда металлов, среди них и необходимые промышленности медь и серебро, запасы которых неуклонно истощаются, когда как в океанских водах их содержится до полмиллиарда тонн. В связи с развитием ядерной энергетики существуют неплохие перспективы для добычи урана и дейтерия из вод Мирового океана, тем более что запасы урановых руд на земле уменьшаются, а в Океане его 10 миллиардов тонн, дейтерий вообще практически неисчерпаем - на каждые 5000 атомов обычного водорода приходится один атом тяжелого. Помимо выделения химических элементов морская вода может быть использована для получения необходимой человеку пресной воды. Сейчас имеется в наличии много промышленных методов опреснения: применяются химические реакции, при которых примеси удаляются из воды; солёную воду пропускают через специальные фильтры; наконец, производится обычное кипячение. Но опреснение не единственная возможность получения пригодной для питья воды. Существуют донные источники, которые всё чаще обнаруживаются на континентальном шельфе, то есть в областях материковой отмели, прилегающей к берегам суши и имеющее одинаковое с ней геологическое строение. Один из таких источников, расположенный у берегов Франции - в Нормандии, дает такое количество воды, что его называют подземной рекой.

Минеральные ресурсы Мирового океана представлены не только морской водой, но и тем, что «под водой». Недра океана, его дно богаты залежами полезных ископаемых. На континентальном шельфе находятся прибрежные россыпные месторождения – золото, платина; встречаются и драгоценные камни – рубины, алмазы, сапфиры, изумруды. Например, вблизи Намибии идут подводные разработки алмазного гравия уже с 1962 года. На шельфе и частично материковом склоне Океана расположены большие месторождения фосфоритов, которые можно использовать в качестве удобрений, причём запасов хватит на ближайшие несколько сот лет. Самый же интересный вид минерального сырья Мирового океана - это знаменитые железомарганцевые конкреции, которыми покрыты громадные по площади подводные равнины. Конкреции представляют собой своеобразный «коктейль» из металлов: туда входят медь, кобальт, никель, титан, ванадий, но, конечно же, больше всего железа и марганца. Места их расположения общеизвестны, но результаты промышленной разработки пока ещё очень скромны. Зато полным ходом идёт разведка и добыча океанской нефти и газа на прибрежном шельфе, доля морской добычи приближается к 1/3 мировой добычи этих энергоносителей. В особо крупных размерах идёт разработка месторождений в Персидском, Венесуэльском, Мексиканском заливе, в Северном море; нефтяные платформы протянулись у берегов Калифорнии, Индонезии, в Средиземном и Каспийском морях. Мексиканский залив к тому же знаменит открытым во время разведки нефти месторождением серы, которая вытапливается со дна с помощью перегретой воды. Другой, пока ещё нетронутой кладовой океана являются глубинные расщелины, где образуется новое дно. Так, например, горячие (более 60 градусов) и тяжелые рассолы Красноморской впадины содержат огромные запасы серебра, олова, меди, железа и других металлов. Всё более и более важное значение принимает добыча материалов на мелководье. Вокруг Японии, к примеру, отсасывают по трубам подводные железосодержащие пески, страна добывает из морских шахт около 20 % угля - над залежами породы сооружают искусственный остров и бурят ствол, вскрывающий угольные пласты.

Многие природные процессы, происходящие в Мировом океане, - движение, температурный режим вод - являются неистощимыми энергетическими ресурсами. Например, суммарная мощность приливной энергии Океана оценивается от 1 до 6 миллиардов кВт•ч. Это свойство приливов и отливов использовалось во Франции в средние века: в XII веке строились мельницы, колёса которых приводились в движение приливной волной. В наши дни во Франции существуют современные электростанции, использующие тот же принцип работы: вращение турбин при приливе происходит в одну сторону, а при отливе - в другую. Главное богатство Мирового океана - это его биологические ресурсы (рыба, зоол.- и фитопланктон и другие). Биомасса Океана насчитывает 150 тыс. видов животных и 10 тыс. водорослей, а её общий объём оценивается в 35 миллиардов тонн, чего вполне может хватить, чтобы прокормить 30 миллиардов! человек. Вылавливая ежегодно 85-90 миллионов тонн рыбы, на неё приходится 85 % от используемой морской продукции, моллюсков, водорослей, человечество обеспечивает около 20% своих потребностей в белках животного происхождения. Живой мир Океана - это огромные пищевые ресурсы, которые могут быть неистощимыми при правильном и бережном их использовании. Максимальный вылов рыбы не должен превышать 150-180 миллионов тонн в год: превзойти этот предел очень опасно, так как произойдут невосполнимые потери. Многие сорта рыб, китов, ластоногих вследствие неумеренной охоты почти исчезли из океанских вод, и неизвестно, восстановится ли когда-нибудь их поголовье. Но население Земли растёт бурными темпами, всё больше нуждаясь в морской продукции. Существует несколько путей поднятия её продуктивности. Первый - изымать из океана не только рыбу, но и зоопланктон, часть которого - антарктический криль - уже пошла в пищу. Можно без всякого ущерба для Океана вылавливать его в гораздо больших количествах, чем вся добываемая в настоящее время рыба. Второй путь - использование биологических ресурсов открытого Океана. Биологическая продуктивность Океана особенно велика в области подъёма глубинных вод. Один из таких апвеллингов, расположенный у побережья Перу, даёт 15 % мировой добычи рыбы, хотя площадь его составляет не более двух сотых процента от всей поверхности Мирового океана. Наконец, третий путь - культурное разведение живых организмов, в основном в прибрежных зонах. Все эти три способа успешно опробованы во многих странах мира, но локально, поэтому продолжается губительный по своим объёмам вылов рыбы. В конце ХХ века наиболее продуктивными акваториями считаются Норвежское, Берингово, Охотское, Японское моря.

Океан, будучи кладовой разнообразнейших ресурсов, также является бесплатной и удобной дорогой, которая связывает удаленные друг от друга континенты и острова. Морской транспорт обеспечивает почти 80% перевозок между странами, служа развивающемуся мировому производству и обмену. Мировой океан может служить переработчиком отходов. Благодаря химическому и физическому воздействию своих вод и биологическому влиянию живых организмов, он рассеивает и очищает основную часть поступающих в него отходов, сохраняя относительное равновесие экосистем Земли. В течение 3000 лет в результате круговорота воды в природе вся вода Мирового океана обновляется.

Загрязнение мирового океана:

Нефть и нефтепродукты

Нефть представляет собой вязкую маслянистую жидкость, имеющую темно-коричневый цвет и обладающую слабой флуоресценцией. Нефть состоит преимущественно из насыщенных алифатических и гидроароматических углеводородов. Основные компоненты нефти - углеводороды (до 98%) - подразделяются на 4 класса:

а).Парафины (алкены). (до 90% от общего состава) - устойчивые вещества, молекулы которых выражены прямой и разветвленной цепью атомов углерода. Легкие парафины обладают максимальной летучестью и растворимостью в воде.

б). Циклопарафины. (30 - 60% от общего состава) насыщенные циклические соединения с 5-6 атомами углерода в кольце. Кроме циклопентана и циклогексана в нефти встречаются бициклические и полициклические соединения этой группы. Эти соединения очень устойчивы и плохо поддаются биоразложению.

в).Ароматические углеводороды. (20 - 40% от общего состава) - ненасыщенные циклические соединения ряда бензола, содержащие в кольце на 6 атомов углерода меньше, чем циклопарафины. В нефти присутствуют летучие соединения с молекулой в виде одинарного кольца ( бензол, толуол, ксилол) , затем бициклические ( нафталин) , полициклические ( пирон).

г). Олефины (алкены). (до 10% от общего состава) - ненасыщенные нециклические соединения с одним или двумя атомами водорода у каждого атома углерода в молекуле, имеющей прямую или разветвленную цепь.

Нефть и нефтепродукты являются наиболее распространенными загрязняющими веществами в Мировом океане. К началу 80-ых годов в океан ежегодно поступало около 16 млн. т. нефти, что составляло 0, 23% мировой добычи. Наибольшие потери нефти связаны с ее транспортировкой из районов добычи. Аварийные ситуации, слив за борт танкерами промывочных и балластных вод, - все это обуславливает присутствие постоянных полей загрязнения на трассах морских путей. В период за 1962-79 годы в результате аварий в морскую среду поступило около 2 млн. т. нефти. За последние 30 лет, начиная с 1964 года, пробурено около 2000 скважин в Мировом океане, из них только в Северном море 1000 и 350 промышленных скважин оборудовано. Из-за незначительных утечек ежегодно теряется 0,1 млн. т. нефти. Большие массы нефти поступают в моря по рекам, с бытовыми и ливневыми стоками. Объем загрязнений из этого источника составляет 2,0 млн. т. /год . Со стоками промышленности ежегодно попадает 0, 5 млн. т. нефти. Попадая в морскую среду, нефть сначала растекается в виде пленки, образуя слои различной мощности.

Нефтяная пленка изменяет состав спектра и интенсивность проникновения в воду света. Пропускание света тонкими пленками сырой нефти составляет 11-10% (280 нм), 60-70% (400нм). Пленка толщиной 30-40 мкм 0полностью полностью поглощает инфракрасное излучение. Смешиваясь с водой, нефть образует эмульсию двух типов: прямую нефть в воде и обратную вода в нефти . Прямые эмульсии, составленные капельками нефти диаметром до 0,5 мкм, менее устойчивы и характерны для нефтей, содержащих поверхностно-активные вещества. При удалении летучих фракций, нефть образует вязкие обратные эмульсии, которые могут сохраняться на поверхности, переноситься течением, выбрасываться на берег и оседать на дно.

Пестициды

Пестициды составляют группу искусственно созданных веществ, используемых для борьбы с вредителями и болезнями растений. Пестициды делятся на следующие группы:

- инсектициды для борьбы с вредными насекомыми,

- фунгициды и бактерициды - для борьбы с бактериальными болезнями растений,

- гербициды против сорных растений.

Установлено, что пестициды уничтожая вредителей, наносят вред многим полезным организмам и подрывают здоровье биоценозов. В сельском хозяйстве давно уже стоит проблема перехода от химических (загрязняющих среду) к биологическим (экологически чистым) методам борьбы с вредителями. В настоящее время более 5 млн. т. пестицидов поступает на мировой рынок. Около 1, 5 млн. т. этих веществ уже вошло в состав наземных и морских экосистем золовым и водным путем. Промышленное производство пестицидов сопровождается появлением большого количества побочных продуктов, загрязняющих сточные воды. В водной среде чаще других встречаются представители инсектицидов, фунгицидов и гербицидов. Синтезированные инсектициды делятся на три основных группы: хлорорганические, фосфорорганические и карбонаты.

Хлорорганические инсектициды получают путем хлорирования ароматических и гетероциклических жидких углеводородов. К ним относятся ДДТ и его производные, в молекулах которых устойчивость алифатических и ароматических групп в совместном присутствии возрастает, всевозможные хлорированные производные хлородиена (элдрин). Эти вещества имеют период полураспада до нескольких десятков лет и очень устойчивы к биодеградации. В водной среде часто встречаются полихлорбифенилы - производные ДДТ без алифатической части, насчитывающие 210 гомологов и изомеров. За последние 40 0лет использовано более 1, 2 млн. т. полихлорбифенилов в производстве пластмасс, красителей, трансформаторов, конденсаторов. Полихлорбифенилы ( ПХБ) попадают в окружающую среду в результате сбросов промышленных сточных вод и сжигания твердых отходах на свалках. Последний источник поставляет ПБХ в атмосферу, откуда они с атмосферными осадками выпадают во все районах земного шара. Так в пробах снега, взятых в Антарктиде, содержание ПБХ составило 0, 03 - 1, 2 кг. /л.

Синтетические поверхностно-активные вещества

Детергенты (СПАВ) относятся к обширной группе веществ, понижающих поверхностное натяжение воды. Они входят в состав синтетических моющих средств (СМС), широко применяемых в быту и промышленности. Вместе со сточными водами СПАВ, попадают в материковые воды и морскую среду. СМС содержат полифосфаты натрия, в которых растворены детергенты, а также ряд добавочных ингредиентов, токсичных для водных организмов: ароматизирующие вещества, отбеливающие реагенты (персульфаты, пербораты), кальцинированная сода, карбоксиметилцеллюлоза, силикаты натрия. В зависимости от природы и структуры гидрофильной части молекулы СПАВ делятся на анионактивные, катионактивные, амфотерные и неионогенные. Последние не образуют ионов в воде. Наиболее распространенными среди СПАВ являются анионактивные вещества. На их долю приходится более 50% всех производимых в мире СПАВ. Присутствие, СПАВ в сточных водах промышленности связано с использованием их в таких процессах, как флотационное обогащение руд, разделение продуктов химических технологий, получение полимеров, улучшение условий бурения нефтяных и газовых скважин, борьба с коррозией оборудования. В сельском хозяйстве, СПАВ, применяется в составе пестицидов.

Соединения с канцерогенными свойствами

Канцерогенные вещества - это химически однородные соединения, проявляющие трансформирующую активность и способность вызывать канцерогенные, тератогенные (нарушение процессов эмбрионального развития) или мутагенные изменения в организмах. В зависимости от условий воздействии.
 

Охрана окружающей среды

Экология и факторы экосистемы

Любая экосистема, приспосабливаясь к изменениям внешней среды, находится в состоянии динамики. Эта динамика может касаться отдельных звеньев экосистем (организмов, популяций, трофических групп), так и всей системы в целом. При этом динамика может быть связана, с одной стороны, с адаптациями к факторам, которые являются внешними по отношению к системе, а с другой – к факторам, которые создаёт и изменяет сама экосистема.

Самый простой тип динамики – суточный. Он связан с изменениями в фотосинтезе и транспирации (испарение воды) растений. В ещё большей мере эти изменения связаны с поведением животного населения. Одни из них более активны днём, другие – в сумерки, третьи – ночью. Аналогичные примеры можно привести по отношению к сезонным явлениям, с которыми ещё больше связана активность жизнедеятельности организмов.

Не остаются неизменными экосистемы и в многолетнем ряду. Если в качестве примера взять лес или луг, то не трудно заметить, что в разные годы этим экосистемам свойственны свои особенности. В одни годы мы можем наблюдать увеличение численности одних видов (на лугах, например, бывают “клеверные” годы, годы с резким увеличением злаков и других видов или групп видов).

Из этого следует, что каждый вид индивидуален по своим требованиям к среде, и её изменения для одних видов благоприятны, а на другие, наоборот, оказывают угнетающее влияние. Сказывается также и периодичность в интенсивности размножения.

Эти изменения в одних случаях могут в какой-то мере повторяться, в других же имеют место изменения, которые на фоне периодически повторяющейся динамики имеют однонаправленность, поступательный характер и обусловливают развитие экосистемы в определённом направлении. Периодически повторяющуюся динамику называют циклическими изменениями, или флюктуациями, а направленную динамику именуют поступательной или развитием экосистем.

Для последнего вида динамики характерным является либо внедрение в экосистемы новых видов, либо смена одних видов другими. В конечном счёте происходят смены биоценозов и экосистем в целом. Этот процесс называют сукцессией (от лат."сукцессио" – преемственность, наследование). Если сукцессия обуславливается в основном внешними по отношению к системе факторами, то такие смены называют экзогенетическими, или экзодинамическими (от греч. "эндон" – внутри).

Экзогенетические смены (сукцессии) могут быть вызваны изменением климата в одном направлении, например, в сторону потепления или похолодания, иссушением почв, например, в результате осушения или понижения уровней грунтовых вод по другим причинам.

Такие смены могут длиться столетиями и тысячелетиями и их называют вековыми сукцессиями. Ход эндодинамических сукцессий рассмотрим на примере наземных экосистем. Если взять участок земной поверхности, например, заброшенные пахотные земли в различных географических районах (в лесной, степной зонах либо среди тропических лесов и тому подобное), то для всех этих объектов будут характерны как общие, так и специфические изменения в экосистемах.

В качестве общих закономерностей будет иметь место заселение живыми организмами, увеличение их видового разнообразия, постепенное обогащение почвы органическим веществом, возрастание их плодородия, усиление связей между различными видами или трофическими группами организмов, уменьшение числа свободных экологических ниш, постепенное формирование всё более сложных биоценозов и экосистем, повышение их продуктивности.

Более мелкие виды организмов, особенно растительных, при этом, как правило, сменяются более крупными интенсифицируются процессы круговорота веществ и тому подобное. В каждом случае при этом можно выделить последовательные стадии сукцессий, под которыми понимается смена одних экосистем другими, а сукцессионные ряды заканчиваются относительно мало изменяющимися экосистемами. Их называют климаксными (от греч. климакс – лестница), коренными, или узловыми.