Лекции - Экология

Подождите немного. Документ загружается.

(антропогенной деятельности)

Еще один пример элемента, загрязняющего окружающую среду

исключительно с помощью человека - ртуть (Hg). Современный круговорот

потока Hg увеличился на 60% по сравнению с доиндустриальным периодом.

Ртуть - чрезвычайно токсичный элемент (как сам металл, так и его

соединения, особенно метилированные формы CH

Hg+ и (CH

)

Hg. К

несчастью, процесс образования этих форм ртути идет в природе без участия

человека, точнее сказать, вслед за его деятельностью.

Некоторые микроорганизмы способны метилировать соединения ртути,

которые оставил после себя человек.

Завершая рассмотрение биогеохимических циклов элементов (БГХЦЭ),

необходимо подчеркнуть следующие особо важные моменты:

1. БГХЦЭ существуют благодаря:

1.1. Непрерывному потоку энергии от Солнца в виде

электромагнитного излучения.

1.2. Активной деятельности живых организмов планеты.

Эти движущие силы способствуют перемещению огромных масс

химических элементов.

2. Все БГХЦЭ в природе взаимосвязаны и вычленить цикл

отдельных элементов можно только умозрительно, поскольку они

обращаются в формах разнообразнейших соединений. Таковы циклы воды и

азота.

3. Циклы металлов, как правило, состоят из совокупности

превращений их оксидных и солеобразных соединений, а также сложных

органических металлосодержащих молекул в составе "живого вещества".

В ходе БГХЦ атомы большинства элементов проходили и проходят в

настоящее время громадное число раз через живое вещество. Так, СО

атмосферы "оборачивается" через живые организмы Земли за 200 - 300 лет, а

вся биосферная вода за 2 млн. лет.

БГХЦЭ в биосфере не полностью замкнутые. Определенная доля

вещества (правда, сравнительно небольшая) выходит из активного

биосферного оборота в медленно текущий геологический цикл. За счет такой

неполной оборачиваемости циклов в недрах образуются запасы полезных

ископаемых.

В БГХЦ серы , например, ее атомы участвуют в следующих

превращениях:

Органические производные

серы

тиосульфат сульфит

сульфат

cульфид элементарная

сера

сероводород

Вопросы для самоконтроля

1. Какова роль живого вещества в эволюции биосферы ?

2. Можно ли считать завершенным процесс формирования

биосферы?

3. Что представляет собой биосфера? Какое место она занимает на

планете Земля?

4. В. И. Вернадский писал : «Живое вещество…. Подобно массе

газа растекается по земной поверхности и оказывает определенное давление

в окружающей среде…» Как вы понимаете это высказывание ученого?

Какими свойствами организмов вызывается растекание живого вещества?

Что входит в понятие «живое вещество»?

5. В чем заключаются функции живого вещества в биосфере?

6. Почему биосферу называют открытой саморегулирующейся

системой?

7. Взаимоотношения человека с биосферой имеют свою историю

(от каменного топора до космических ракет) Выделите узловые моменты

развития цивилизации, оказавшие существенное влияние на биосферу в

целом.

8. Великий русский биолог Н. Т. Тимофеев – Ресовский (1900-

1981), чья яркая жизнь описана в повести Д. Гранина «Зубр» сформулировал

принцип «Биосфера и человек, а не человек и биосфера», который по его

мнению должен лечь в основу нашего взаимоотношения с окружающим

миром. Как бы вы прокомментировали этот принцип?

9. В чем сущность основных методов датирования горных пород и

ископаемых остатков организмов?

10. Каков принцип действия «радиоактивных часов»?

11. Что представляет собой календарь истории Земли?

12. Почему возникновение круговорота веществ – исключительно

важный момент в истории развития жизни

13. Американский эколог Ю. Одум пишет : « В конце концов нам

придется серьезно заняться возвращением фосфора в круговорот, если мы не

хотим погибнуть от голода» Каким образом человек может осуществить это

возвращение ?

14. Круговорот серы в биосфере – удачный пример для иллюстрации

связи между воздухом, водой и земной корой. В цикле серы ключевую роль

играют микроорганизмы (также, как и в случае азота). Кроме того, в

последнее время этот цикл осложняется промышленными загрязнениями

атмосферы. Попытайтесь в общих чертах нарисовать биогеохимический цикл

серы. Можно ли назвать этот цикл осадочным ?

15. Почему атомы углерода играют главную роль в образовании

органических молекул, входящих в состав живого?

16. Какова структура белковой молекулы ?

17. Чем объясняется многообразие белков?

18. Каковы строение и функции ДНК?

19. Сравните ДНК и РНК.

20. В чем сущность генетического кода? Каковы его основные

свойства?

21. О чем говорит универсальность генетического кода, всеобщий

характер матричного принципа синтеза макромолекул? Известный немецкий

биохимик Г. Шрамм, исходя из открытия молекулярной биологии о том, что

наследственная информация зашифрована В ДНК, делает следующий вывод :

при наследовании передается только план (идея) того как должно быть

сформировано живое существо. А раз наследственная иноформация подобна

идее, то она нематериальна. Поэтому переход к духовному начинается не

споявления человека, а много раньше (на молекулярном уровне развития

живого). Согласны ли вы с такой точкой зрения ? Аргументируйте свой

ответ.

22. Начальная часть молекулы белка имеет следующую структуру :

тирозин – цистеин – фенилаланин. Какие т – РНК (с какими антикодонами)

участвуют в синтезе белка?

23. Какими были условия на первичной Земле?

24. Могли ли простейшие органические соединения образоваться в

космосе и попасть на первичную Землю?

25. Изобразите схематично основные этапы химической эволюции.

26. Почему повторное возникновение жизни на Земле невозможно?

27. Эволюция биосферы и эволюция ее кислородной атмосферы

протекала параллельно и взаимосвязано. Подготовьте сообщение на тему

«Кислород и развитие органического мира на Земле»

Стандарты качества окружающей среды

В сбалансированной экосистеме существует почти замкнутый круг, по

которому движутся вещества: например, экскременты, и продукты распада

одних организмов служат пищей другим и т.д. Однако экосистема может

стать несбалансированной, когда нарушается нормальный круговорот из-за

того, что продукты распада не утилизируются и накапливаются в

окружающей среде. Наиболее часто в роли дестабилизатора экосистемы

выступает человек со своей практической деятельностью. В биосферу

выбрасываются большие количества вредных веществ, и даже на первый

взгляд безвредных (например, СО

), но в таких количествах, что лимита

"забуференности" биогеохимических циклов уже недостаточно.

Загрязнителями можно назвать вещества, попадающие в биосферу в

процессе человеческой деятельности; нарушающие при этом баланс веществ

экосистемы, их цикличность, поскольку они образуются с большей

скоростью, чем уничтожаются. Загрязнители делают среду обитания менее

благоприятной (некомфортной) как для самого человека, так и для многих

его "соседей по планете".

Загрязнителями можно назвать вещества, попадающие в биосферу в

процессе человеческой деятельности; нарушающие при этом баланс веществ

экосистемы, их цикличность, поскольку они образуются с большей

скоростью, чем уничтожаются. Загрязнители делают среду обитания менее

благоприятной (некомфортной) как для самого человека, так и для многих

его "соседей по планете".

Вещества-загрязнители, попав первоначально лишь в один из

компонентов окружающей среды, постепенно загрязняют, как правило,

остальные компоненты (воздух, воду, почву). Перераспределение

загрязнителей, пути миграции их в окружающей среде рано или поздно могут

привести к прямому негативному воздействию на человека

Последствия загрязнения природной среды техногенными веществами

настолько серьезны, что задача максимально сократить количество

попадающих в биосферу отходов стала сейчас первоочередной и жизненно

важной. При этом особый акцент делается на создание безоотходных

технологий производства и потребления, производство принципиально

новых экологически чистых веществ и материалов, разработку и внедрение

систем улавливания, утилизацию и обезвреживание газообразных выбросов,

сточных вод и твердых отходов.

Синтезируя новые химические вещества для промышленных нужд,

создавая новые приборы и машины, проектируя технологические линии и

процессы, человек должен обязательно прогнозировать и объективно

оценивать возможную степень воздействия всего созданного им на биосферу,

на компоненты окружающей среды, на него самого, т.е. проводить

предварительную комплексную научно обоснованную, независимую (от

мнений отдельных заинтересованных лиц) экологическую экспертизу.

Все присутствующие в биосфере химические вещества, как природные,

так и привнесенные в нее человеком, в сумме составляют хемосферу.

Множество природных соединений осуществляют в экосистемах

важные функции. В то же время многие организмы вырабатывают токсичные

вещества, которые, впрочем, также являются определенными

хемомедиаторами. Их обращение в экосистемах находится под контролем

природы и не приводит к каким-либо серьезным негативным последствиям.

Сейчас уже синтезировано и выделено из природных источников

свыше 6Hмлн. химических веществ. Эта цифра ежегодно возрастает на 5%.

Причем, здесь не учтены полимерные и олигомерные соединения, а также

композиции и смеси. В США регистрируется только новых синтетических

соединений около 120Hтыс. в год. Все это говорит о том, что деятельность

человека активно увеличивает потенциал хемосферы.

Среди таких соединений антропогенного ( от греч антропос - человек и

греч. генезис - происхождение) характера есть мутагенные (порождающие

мутации), канцерогенные, тератогенные (вызывающие уродства, от греч

тератос - чудовище) вещества и т.д. Так, потенциальными канцерогенами

признано сейчас около 25000 соединений!

Один из важнейших вопросов химической экологии - изучение тех

превращений, которые претерпевают антропогенные вещества в экосистемах

и механизмов их вредного воздействия на организмы, экосистемы и

биосферу в целом. В связи с этим вопросом в экологической литературе

встречаются следующие термины.

Ксенобиотики (от греч. ксенос - чужой и греч. биос - жизнь) -

химические вещества, чужеродные по отношению к живым организмам и не

входящие в естественные биогеохимические циклы. Их появление в

биосфере прямо или косвенно связано с хозяйственной деятельностью

человека.

Поллютанты (от лат. поллюцио - марание) - химические вещества,

загрязняющие среду обитания. Синоним - загрязнители.

Экзогенные вещества (от греч. экзо - снаружи и греч. генезис -

происхождение) - вещества, появление которых связано с деятельностью

человека (термин подчеркивает неприродное происхождение соединения).

Экотоксиканты (от греч. ойкос - дом и греч.токсикон - яд) - ядовитые

химические вещества антропогенного происхождения, вызывающие

серьезные нарушения в структурах экосистем.

Суперэкотоксиканты (от греч. супер - сверху, над) - вещества,

обладающие в малых дозах мощным токсичным действием

полуфункционального характера. Для суперэкотоксикантов (СЭТ)

фактически теряет смысл понятие предельно допустимой концентрации

(ПДК). Кроме того, они резко повышают чувствительность живых

организмов к другим, менее сильным (менее токсичным) ксенобиотикам. К

суперэкотоксикантам относятся диоксины, дибензофураны, бензантрацены,

микотоксины, нитрозамины, нафтиламины.

Можно предположить, что загрязнителем всегда является лишь то

вещество, которого в природе, в экосистемах очень мало. Однако это не

всегда так! Все зависит от степени концентрации того или иного вещества в

биосфере или в какой-либо ее части, а также от способности собственных

"сил природы" справиться с этим загрязнителем, утилизировать его.

По пространственному распределению загрязнители подразделяются

на:

глобальные (фоново-биосферные, как, например, в случае с

парниковыми газами - СО

, СН

, хлорфторуглеродами и пр.);

региональные;

локальные;

точечные.

По силе и характеру воздействия на окружающую среду загрязнения

бывают:

фоновые;

импактные (от англ. импэкт - удар, толчок; синоним - залповое);

постоянные (перманентные);

постепенно нарастающие и катастрофические (аварийные, например

выброс нефти при аварии танкера в море).

По источникам возникновения загрязнители разделяются на:

промышленные (например SO

);

транспортные (например, альдегиды выхлопов автомобилей);

сельскохозяйственные (например, пестициды);

коммунально-бытовые (например, детергенты синтетических моющих

средств).

Одна из проблем, связанных с появлением в экосистемах веществ

антропогенного происхождения, - нарушение поллютантами химической

коммуникации между организмами. Так, появление в водной среде фенола с

концентрацией 5Hмг/л искажает реакцию карповых рыб (например, горчака)

на собственный феромон тревоги При концентрации фенола 20 - 30Hмг/л

наступает полная потеря чувствительности к феромону.

Все химические вещества, составляющие хемосферу, можно условно

разделить на четыре группы:

1. Безвредные для человека.

2. Действующие на человека опосредованно, делая менее

благоприятной среду его обитания.

3. Действующие на человека непосредственно как на живой объект,

отравляя его (токсиканты) или поражая каким-либо другим способом

(например, радиоактивные вещества - излучением).

4. Вещества неопределенного характера действия. О многих из них

нет достаточно полных сведений (токсичность, поведение в биосфере).

Токсичность - свойство химических веществ, способность вызывать

отравление (интоксикацию) организма. Она характеризуется дозой вещества,

вызывающей определенную степень отравления.

При ингаляционных отравлениях доза равна произведению c t, где с -

концентрация паров или аэрозоля (мг/м

); t - время вдыхания (мин).

При поражении другими путями (внутривенно, внутримышечно, через

желудочно-кишечный тракт, кожу и пр.) доза оценивается количеством

вещества в мг на 1Hкг живой массы.

Различают:

Среднесмертельные (летальные) дозы:

a) Lct

- при ингаляционном отравлении;

b) LD

(ЛД

) - при других видах воздействия.

Пороговые дозы:

a) Pct

- при ингаляционном отравлении;

b) PD

(ПД

) - при других видах воздействия.

Цифра в индексе показывает вероятность (в %) гибели организмов для

смертельных доз или появление признаков отравления для пороговых.

Токсичность определяют, проводя опыты на животных с применением

статистических методов.

Качество окружающей среды, его соответствие требованиям

нормальной жизнедеятельности человека характеризуется экологическими

стандартами. Точнее, стандарты подразделяют на собственно экологические

и производственно хозяйственные (рис. 4.2).

К стандартам первого типа относятся предельно допустимые нормы

антропогенного воздействия на окружающую среду, превышение которых

ведет к угрозе здоровью человека, отрицательно влияет на растения и

животных. Среди таких характеристик часто используют:

ПДК - предельно допустимую концентрацию загрязняющих веществ,

т.е. максимальное количество поллютанта в единице объема воздуха или

воды, которое при ежедневном воздействии на организм человека, в течение

длительного времени не вызывает патологических (от греч. патос -

страдание, болезнь) изменений или заболеваний, а также не нарушает

нормальной жизнедеятельности;

Рис. 4.2. Стандарты качества окружающей среды

ОБУВ – ориентировочно безопасный уроень воздействия

ОДК – ориентировочно допустимая концентрация

ПДУ - предельно допустимый уровень вредного физического

воздействия (шум, электромагнитные излучения и пр.).

ПДВ - предельно допустимый выброс загрязняющих веществ каким-

либо производством в окружающую среду (например, из одной заводской

трубы в единицу времени);

ПДС - предельнодопустимый сброс (то же для жидкого поллютанта);

ПДП - предельно допустимое поступление;

ПГП - предельно годовое поступление и т.д.

Стандарты качества

окружающей среды

Санитарно

гигиенические

Экологические

ПДК ОДК

ОБУВ

ВВВВВ

ПДУ

ПДВ ПДС

ПДП ПГП

Наиболее важный и часто используемый норматив - ПДК

подразделяют в свою очередь на следующие виды:

ПДКр.з. - ПДК поллютанта в воздухе рабочей зоны (мг/м

Рабочей зоной считается пространство высотой до 2Hм над уровнем

площадки, на которой находятся места постоянного или временного

пребывания работающих;

ПДКс.с - ПДК поллютанта среднесуточная в воздухе населенных мест

(мг/м3);

ПДКм.р - ПДК поллютанта максимальная разовая в воздухе

населенных мест (мг/м3);

ПДКводн. - ПДК загрязнителей в различных типах водоемов;

ПДК связана соотношениями со значением дозы. А.О.HЛойтом

предложена такая зависимость:

lgHПДКр.з=1,53 lgHLD

- 5,7 + lgHM,

где М - молекулярная масса поллютанта.

При отсутствии сведений о токсичности предлагаются расчетные

формулы с использованием данных о таких физико-химических свойства

х токсикантов как молекулярная масса (М), поверхностное натяжение

(s), показатель преломления (n

), плотность (r), температура кипения (tкип) и

плавления (tпл).

Например:lgHПДКр.з=10nd + 14,2 + lgHM

lgHПДКр.з=2.2r + 1,6 + lgHM

Очень важным экологическим показателем является ПДВ - научно-

технический норматив, предусматривающий, что концентрация

загрязняющих веществ в приземном слое воздуха от источника или их

совокупности не превышает нормативную концентрацию веществ,

ухудшающих качество воздуха.

Он устанавливается для каждого источника загрязнения атмосферы при

условии, что выбросы вредных веществ от данного источника и от

совокупности других источников с учетом рассеяния не создадут приземной

концентрации вредных веществ, превышающих ПДК.

В тех случаях, когда концентрация вредного вещества в расчетной

точке превышает ПДК, а снижение ПДВ до требуемых значений не может

быть обеспечено по объективным причинам, вводится поэтапное снижение

вредных выбросов до ПДВ, т.е. на каждом этапе устанавливается временный

согласованный выброс (ВСВ) на уровне тех ПДВ, которые обеспечивают

предприятия с наиболее передовой технологией.

ПДВ

ПДК Н V T

A F m n

× × ×

, г/м

(для нагретых выбросов), где

А - коэффициент, зависящий от температурной стратификации

атмосферы, определяющий условия перемешивания примесей в воздухе и

варьирующий в зависимости от географического региона от 120 до 240;

F - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания

вредных веществ;

m и n - коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной

смеси из источника;

DТ - разность температур между выбрасываемой смесью и воздухом;

V1 - объем выброса газовоздушной смеси;

Н - высота одиночного источника выброса.

ПДК некоторых веществ-загрязнителей в воздухе (на 1 м

)

и в воде (на 1 л) водоемов хозяйственно-питьевого

и культурно-бытового назначения

Вещество ДКр.з ДКс.с ДКм.р ПДК

водн.

1 2 3 4 5

Аммиак,мг 20 0,04 0,2 2

Бензол, мг 5 0,1 1,5 0,5

Гидразин, мг 0,1 - - -

Фенол, мг 5 0,1 1,0 0,001

Формальдегид, мг 0,5 0,012 0,035 0,01

Свинец,нг - 0,7 - -

Ртуть, нг - 0,3 \- 0,1

Алилмеркаптан,нг - -

0,2

Бенз(а)пирен,нг - -

Бериллий, нг - 1 - 0,2

Окись углерода, мг - 1 - -

Окись азота,мг

0,1 - -

Мышьяковистый

водород,мг

- 0,3 - -

. Классификация элементов по их токсичности

Существует несколько классификаций элементов и их соединений по

степени токсичности, однако следует иметь в виду несколько обстоятельств,

которые определяют степень токсичности того или иного элемента или его

соединения:

По степени воздействия на организм человека вредные вещества

подразделяются на четыре класса опасности :

 1-ый класс – вещества чрезвычайной опасности (ВЧО);

 2-ой класс – вещества высокой опасности (ВВО);

 3-ий класс – вещества умеренной опасности (ВУО);

 4-ый класс – вещества малой опасности (ВМО).



Класс опасности устанавливают в зависимости от следующих норм и

показателей На основе ПДК выработаны критерии понятий : «экологический

кризис» и «экологическое бедствие»

Показатели Нормы для класса опасности

1 2 3 4

ПДК

р.з.

, мг/ м

<0,1 0,1-1,0 1,1-10,0 >10

при введении в

желудок, мг/кг

<15 15-150 151-5000 >5000

при нанесении на

кожу, мг/кг

<100 100-500 501-2500 >2500

ct50

,мг/м

<500 500-5000 5001-50000 >50000

Коэффициент

возможного

ингалляционного

отравления (КВИО) :

>300 300-30 29-3 <3

Зона острого действия,м <6,0 6,0-18,0 18,1-54,0 >54,0

Зона хронического

действия,м

>10,0 10,0-5,0 4,9-2,5 <2,5

Критерий опасности химического загрязнения питьевой

воды в экологически остро неблагоприятных регионах России

Показатель

опасности

загрязнения

Относительно

удовлетворительная

ситуация

Экологиче

ский

кризис

Экологическая

катастрофа