Научные основы охраны природы и рациональное природопользование

УДК 574

И.Г. Зубилин Ю.В. Холин В.К. Юшко

Зубилин И.Г., Холин Ю.В., Юшко В.К. Научные основы охраны природы и природопользование. Харьков: Фолио, 1999. – 169 с.

рациональное

ISBN

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ОХРАНЫ ПРИРОДЫ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ Учебное пособие для студентов химических факультетов университетов

Рассмотерена роль экологии в решении проблем взаимодействия природы и общества, обсуждены основы учения о биосфере, глобальные проблемы, связанные с антропогенным воздействием на природу. Особое внимание уделено химическим аспектам взаимодействия организмов с окружающей средой, химии процессов в окружающей природной среде. Обсуждены современные подходы к решению проблемы рационального использования природных ресурсов и охраны природы. Пособие предназначено для студентов химических специальностей университетов и может быть полезно студентам высших учебных заведений химико-технологического и технического профиля, изучающим курсы экологии и охраны природы.

Рекомендовано Учебно-методическим центром Харьковского государственного университета Р е ц е н з е н т : зав. кафедрой неорганической химии и методики преподавания химии Харьковского государственного университета, доктор химических наук И.Н. Вьюнник

Харьков «Фолио» 1999

ISBN

 Зубилин И.Г., Холин Ю.В., Юшко В.К., 1998

ВВЕДЕНИЕ Невозможно охранять природу, использовать ее ресурсы, не зная, как она устроена, по каким законам развивается, как реагирует на воздействие человеческой деятельности, какие предельные нагрузки на природные системы может себе позволить общество. Важная роль в исследовании обозначенных проблем принадлежит экологическим дисциплинам. В настоящее время экология превратилась в одну из главных междисциплинарных синтетических наук. В центре внимания экологов стоит проблема взаимоотношений организмов со средой их обитания и, в частности, взаимоотношений природы и человечества. Все согласны, что сложившееся положение становится критическим: участились засухи, неуклонно растет опустынивание и засоление в прошлом плодородных земель, исчерпываются запасы пресной воды и многих полезных ископаемых, растет нехватка продуктов питания в странах третьего мира, ухудшается состояние водного и воздушного бассейнов, человеческая деятельность уже способна изменить энергетический баланс Земли, что чревато непредсказуемыми климатическими последствиями; на слуху у всех такие слова, как «парниковый эффект», «озоновые дыры», «кислотные дожди». Влияние человека на процессы органической эволюции, на природные комплексы стало столь весомым, что возникает настоятельная потребность в превращении биосферы в ноосферу, в переходе к сознательному управлению природными процессами. И, вместе с тем, несмотря на разительные успехи наук о природе, общественность поразительно мало знает о закономерностях, управляющих природными процессами, о путях охраны природы и восстановления разрушенных природных систем. Можно сказать, что все слышали об экологии, но мало кто знает, что это такое. Действительно, разве мы не читаем в газетах, не слышим из уст министров и депутатов, что «у нас в стране плохая экология», «в последние годы экология нарушилась», «на экологию в бюджете не хватает средств». Но что-то никто из журналистов или депутатов не сокрушается о «плохой ботанике», «нарушении математики» или нехватке средств на астрофизику. Налицо элементарная путаница: термин «экология» употребляется как синоним термина «окружающая природная среда». Для того чтобы грамотно решать современные сложные задачи ох-

раны природы, рационального природопользования, нужно знать, чем занимается экология, какие проблемы и какими методами решает, какое место занимает эта дисциплина среди других фундаментальных и прикладных наук. Особо отметим значение экологических знаний для химиков. Общественное мнение предвзято относится к химии и химической промышленности, считая их главными виновниками разрушения среды обитания, загрязнения воды и пищи. На самом же деле, именно химии и химикам предстоит внести решающий вклад в охрану природы, оздоровление окружающей природной среды. Но для решения таких задач химику следует знать, каков химизм процессов в природных системах, какие нарушения вносит в них деятельность человека, насколько велики возможности природы в компенсации вредных воздействий, и к каким результатам способно привести разбалансирование устойчивых природных процессов. Предлагаемый вашему вниманию курс лекций состоит из двух частей. Первая ставит своей целью предоставить студенту минимум сведений, необходимых для свободной ориентации в понятиях, терминах, задачах и методах экологии; особое внимание уделяется химическим аспектам взаимодействия организмов с окружающей средой, химии процессов в окружающей природной среде. Полученные экологические знания рассматриваются как теоретическая основа охраны природы и рационального природопользования; эта проблематика обсуждается во второй части лекционного курса. В ней основное внимание уделяется формированию у студентов природоохранного сознания, передаче им необходимых общих знаний по природопользованию, защите природной среды и природоохранному законодательству. Пособие предназначено для студентов химических специальностей университетов и может быть полезно студентам высших учебных заведений химико-технологического и технического профиля, изучающим курсы экологии и охраны природы. Книга подготовлена при финансовой поддержке Международной научно-образовательной программы правительства Украины и Института открытого общества (США), грант YSU 083061.

4

ОБЩАЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ЭКОЛОГИЯ

І. ЭКОЛОГИЯ – НАУЧНАЯ ОСНОВА ОХРАНЫ ПРИРОДЫ И РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ 1.1. Предмет экологии Термин «экология» (от греч. «ойкос» – дом, жилище и «логос» – учение) предложил в 1866 г. немецкий биолог Эрнст Геккель, обращавший внимание на необходимость изучать организмы в условиях их естественного обитания. В буквальном смысле экология – наука об организмах «у себя дома». Как самостоятельная наука экология сформировалась в начале ХХ века. В настоящее время экологию определяют как науку об отношениях организмов или групп организмов между собой и с окружающей средой либо как науку о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания.

1.2. Общая экология и частные экологические дисциплины Поскольку экология – наука сравнительно молодая, еще не выработана окончательная классификация ее разделов. Выделяют общую экологию, исследующую главные принципы организации и функционирования различных надорганизменных систем, и частные экологические дисциплины, сфера каждой из которых ограничена кругом изучаемых групп организмов (экология микроорганизмов, экология насекомых, экология позвоночных, экология человека и т.п.), кругом изучаемых природных систем (экология 5

моря, экология леса и проч.) либо отдельными типами процессов в этих системах (химическая экология, радиоэкология). Глобальная экология изучает биосферу в целом, исследуя общие принципы ее функционирования. Химическая экология – это комплексная дисциплина, исследующая всю совокупность связей в живой природе и химические взаимодействия, связанные с жизнью. Экологическая химия рассматривает влияние деятельности человека на химические процессы в живой природе. Часто предметы химической экологии и экологической химии не разделяют, считая экологическую химию составной частью химической экологии. В последние два десятилетия развивается социальная экология, объектом исследования которой являются закономерности взаимодействия общества и окружающей среды. Важным разделом социальной экологии является промышленная экология – дисциплина, рассматривающая воздействие промышленности, сельского хозяйства, транспорта на природу и, наоборот, влияние условий природной среды на функционирование предприятий и их комплексов. Экология подразделяется на аутоэкологию, исследующую индивидуальные связи отдельного организма со средой; популяционную экологию, изучающую отношения между организмами, относящимися к одному виду и живущими на одной территории; и синэкологию, комплексно изучающую группы, сообщества организмов и их взаимосвязи в природных системах. Выделяют также эндоэкологию («эндо» – внутри), науку, исследующую внутреннюю среду организма как целостность. Эндоэкология быстро развивается. О ее значении в условиях растущих нагрузок окружающей среды на организм человека может свидетельствовать создание в Киеве специального научного учреждения – Института сорбции и проблем эндоэкологии Национальной академии наук Украины. Выделяют экологию теоретическую и экологию прикладную. Первая, относясь к фундаментальным наукам, вскрывает общие законы взаимодействия организмов и среды. Вторая обеспечивает применение теоретических закономерностей для разработки природоохранных мероприятий и рационального природопользования. Часто понятие «экология» толкуется расширительно. Так, академик Д.С.Лихачев ввел термин «экология культуры», понимая под ней взаимоотношение культуры с другими феноменами человеческой 6

цивилизации. Многозначность понятия «экология» затрудняет научные исследования и передачу экологической информации. Ученыеэкологи работают над унификацией терминологии. Экология зародилась как раздел биологии. В первом издании Большой Советской Энциклопедии (1933 г.) можно прочитать: «Экология, или ойкология, … раздел биологии, изучающий приспособления (адаптации) животных и растений к окружающей неорганической и органической среде». Многие биологи и по сей день считают экологию только одной из биологических наук. Но более справедливо мнение, согласно которому экология – междисциплинарная наука, опирающаяся на результаты биологии, химии, географии, математики и других наук, но имеющая самостоятельные предмет и методы исследования. Не следует отождествлять экологию и с «наукой об окружающей среде» (Environmental Science). Этот термин получил широкое распространение на Западе, но не имеет четко определенного содержания. Чаще всего предметом этой дисциплины считают исследование физико-химических параметров окружающей среды, разработку методов их контроля и технологических мероприятий, позволяющих снизить антропогенное влияние на природу. Важнейший аспект экологии – взаимоотношения со средой живых организмов – в «науке об окружающей среде» занимает второстепенное, подчиненное место.

1.

2.

1.3. Задачи экологии Исходя из рассмотренного понимания предмета экологии, ее места среди других наук, можно следующим образом сформулировать ее задачи: • исследование закономерностей организации жизни, в том числе в связи с воздействиями на природу, вызванными деятельностью человека; • создание научных основ рациональной эксплуатации биологических ресурсов; • прогнозирование возможных в будущем изменений природной среды, в том числе под влиянием деятельности человека. В решение общих задач экологии свой вклад вносят экологическая химия и химическая экология. К проблемам, имеющим непосредственное отношение к химическим дисциплинам, относятся: 7

3.

4.

8

Химический мониторинг – система периодически повторяемых наблюдений химического состава объектов окружающей среды. Система мониторинга охватывает как локальные районы или отдельные страны (национальный мониторинг), так и земной шар в целом (глобальный мониторинг). Работы по глобальному химическому мониторингу координируются Программой ООН по окружающей среде и Всемирной метеорологической организацией. Основными направлениями химического мониторинга являются изучение влияния кислотных дождей на состояние природной среды; определение содержания важнейших загрязнителей в атмосфере, воде и почве. Частота измерений колеблется от 10–20 дней (атмосферные осадки, воздух) до 2–6 месяцев (почва, подземные воды). Исследование химических форм элементов в биосфере, их круговоротов; изучение нарушений круговоротов и разработка методов регулирования круговоротов элементов. Организмы в процессе своей жизнедеятельности накапливают химические вещества, включенные в цепочки питания. Изучение химических форм элементов в живой природе, движения элементов, их геохимической роли является фундаментальной научной задачей. Ее актуальность в настоящее время обусловлена тем, что в результате развития промышленности и сельского хозяйства за последние 50 лет количество рассеянных химических веществ выросло стократно, причем значительная часть этих веществ включена в цепочки питания и, таким образом, попала в организмы животных и человека. Более того, воздействие человека стало геологически значимым и способно вызвать необратимое нарушение устойчивых циклов движения элементов в природной среде. Оценка канцерогенной и мутагенной активности веществ, попадающих в среду обитания в результате жизнедеятельности человека. Решение этой задачи имеет первостепенное значение для выработки научно обоснованных методов защиты от вредных химических воздействий. Химическая и химико-токсикологическая экспертиза при проектировании новых и реконструкции существующих предприятий промышленности и транспорта. Речь идет не только об оценке ущерба природе, наносимого при нормальной работе

5.

предприятий промышленности, транспорта, энергетики, но, в первую очередь, об оценке риска, связанного с возможными авариями. Осознание опасности для населения и окружающей среды аварий, связанных с химическим или радиационным поражением, пришло относительно недавно – в первой половине 80-х годов, после нашумевших катастроф на атомной электростанции Тримайл Айленд (США) и на химическом комбинате в Бхопале (Индия). Чернобыльская катастрофа (1986 г.) стала уроком, показавшим недостаточность существующих мер безопасности и способов защиты от техногенных аварий. Особо следует отметить роль академика В.Легасова, первым в СССР, за несколько лет до Чернобыльской катастрофы, начавшего работу по оценке риска, связанного с техногенными катастрофами, и по разработке мероприятий, снижающих этот риск. К сожалению, предупреждения В.Легасова не были вовремя услышаны ни учеными, ни правительством. Разработка методов конверсии химического оружия, борьбы с техногенными катастрофами. Химическое оружие использовалось в годы I мировой войны и значительно позднее в 70-х – 90-х годах в локальных военных конфликтах. Но разработка и производство все более токсичных видов химического оружия не останавливались ни на один день вплоть до подписания договора об уничтожении химического оружия. Даже находящееся на складах оружие представляет большую угрозу, поскольку истекают сроки хранения боеприпасов, созданных 40–50 лет назад. Актуальной становится угроза попадания иприта, люизита или синильной кислоты в окружающую среду. К настоящему времени надежного и дешевого способа избавиться от химического оружия все еще нет. Государства, владеющие им, широко использовали такие методы, как захоронение боеприпасов на дне моря или сжигание. Оба этих метода наносят природе огромный вред. Другие методы, предусматривающие нейтрализацию химического оружия, очень дороги. Таким образом, указанная проблема только ждет своего экономичного и экологически приемлемого решения.

1.4. Особенности эксперимента в экологии Экология – приятная наука. Занимающиеся ею проводят свое время в попытках понять функции мира природы, которые столь же таинственны, как и любое явление в физике, но которые в то же время затрагивают живые струны в душе человека. Эколог может наслаждаться образом жизни натуралиста, используя методы химии или философию математики. П.Колинво Будучи фундаментальной научной дисциплиной, экология использует богатый арсенал средств, применяемых в естествознании. Основой естествознания является экспериментальный метод. Эксперимент бывает пассивным (наблюдение) или активным, когда исследователь целенаправленно изменяет условия. В любом случае, эксперимент – это не бесцельное, случайное манипулирование предметами или веществами. Перед началом эксперимента ученый всегда формулирует вопрос, ответить на который должен задуманный эксперимент. Даже при простом наблюдении такой вопрос (явно или неявно) формулируют, обозначая значимые или незначимые факторы, выделяя те признаки или величины, за которыми следует вести наблюдения. Очевидно, что формулировка вопроса перед началом эксперимента обязательно базируется на некотором предварительном, пусть неполном и упрощенном, знании (модели)∗. Модель предсказывает: «Сделай то-то и то-то, и получишь такой-то результат». Выполненный эксперимент подтверждает этот прогноз модели или опровергает его. В последнем случае модель подвергают пересмотру, планируют и проводят новые эксперименты. Обобщение моделей, предложенных для описания различных экспериментов в одной и той же научной области, представляет собой гипотезу. Если гипотеза находится в соответствии со всеми наблюдаемыми экспериментальными фактами, то она приобретает ста∗

9

«Чтобы сформулировать вопрос, нужно знать большую часть ответа». Роберт Шекли 10

тус теории и используется для предсказания результатов будущих экспериментов. От эксперимента в таких науках, как физика или химия, требуют воспроизводимости. Но при экспериментировании с природными объектами, живыми организмами обеспечить повторяемость эксперимента трудно: найти два абсолютно идентичных организма невозможно, а исследуемые явления слишком часто длятся годами и даже столетиями. Первая из названных особенностей породила особый тип экологических и биологических экспериментов – эксперимент с контролем. Под контролем имеется в виду изучение двух групп особей – экспериментальной и контрольной. Эти две группы должны пребывать в идентичных условиях, за исключением одного фактора, действие которого и подвергается исследованию. Важно, что эксперимент проводится именно на группе особей, что позволяет рассматривать индивидуальные отличия организмов как случайные погрешности∗. Вторая особенность – длительность либо практическая неосуществимость эксперимента – придала особое значение использованию в экологии математических моделей. В них из всей совокупности реальных связей между предметами, объектами и явлениями данной системы исследователь на основе анализа имеющихся экспериментальных данных выбирает некоторые, по его мнению наиболее важные связи, записывает соответствующую информацию на языке математики (используя, скажем, алгебраические, дифференциальные или интегральные уравнения). Зафиксировав значения параметров, внешних для системы, и задав начальные величины параметров, которые меняются при эволюции системы, ученый аналитически или численно, вручную или на компьютере изучает поведение своей системы. Он сравнивает результаты расчетов по модели с реальными данными наблюдений и измерений. Если совпадение приемлемое (прогностическая способность модели удовлетворительная), то модель в дальнейшем используется для научного прогнозирования и тех явлений, которые выходят за рамки ее эмпирического базиса. Примером таких моделей, сыгравших решающую роль в экологии, могут ∗

Интересно заметить, что математическая статистика как наука, исследующая, в частности, влияние погрешностей на результаты измерений, своим бурным прогрессом в начале XX столетия во многом обязана появлению биологических и экологических задач, связанных с обработкой результатов экспериментов с контролем. 11

служить уравнения Лотки–Вольтерра, математически описывающие борьбу видов и организмов за существование. Модель, которая оказала огромное влияние не только на науку, но и на политическое развитие человечества – это «модель ядерной зимы» (Н.Моисеев, Ю.Александров, К.Саган и др.), предсказавшая губительные последствия ядерной войны для биосферы. Не следует, конечно, переоценивать возможности математического моделирования. Если в основу модели положены недостоверные предпосылки или область применения модели слишком далеко выходит за границы ее эмпирического базиса, то сделанные с помощью модели прогнозы будут ошибочными. Диалектику возможностей математического моделирования и опасностей, подстерегающих его приверженцев, передает высказывание Г.Яблонского и С.Спивака: «Опасна и бессмысленна математизация слаборазвитых научных областей, но сколь плодотворно исследование математических моделей, отвечающих сути дела!»∗.

1.5. Из истории экологической науки Как и всякая научная дисциплина, экология знавала разные времена. Свое название эта дисциплина получила от Э.Геккеля и долгое время была одним из разделов биологии, причем разделом далеко не самым популярным (действительно, конец XIX – начало XX века – это период яростных споров сторонников и противников дарвинизма, время возникновения и быстрого развития генетики, период первых серьезных успехов биохимии; экология казалась спокойным и не слишком перспективным направлением). Кроме того, репутация Э.Геккеля как не очень серьезного ученого вызывала у коллег настороженное отношение ко всем, даже разумным, идеям, от него исходившим. Термином «экология» Э.Геккель обозначил направление исследований, уже наметившееся в трудах ряда ученых. Русский натуралист К.Рулье еще в 1851 г. подчеркивал, что изучать организмы следует в постоянном взаимном развитии, организации и образе ∗

Яблонский Г.С., Спивак С.И. Математические модели химической кинетики. – М.: Знание. 12

жизни среди определенных условий; в 1855 г. ученик Рулье Н.А.Северцов опубликовал первую в мировой литературе экологическую работу∗. Идеи Рулье и Северцова заметно опередили свое время, и термин экология лишь эпизодически появлялся в научных публикациях. Только в 1913 г. в США была опубликована первая экологическая сводка «Руководство к изучению экологии животных» Ч.Эдамса. Автор ясно проводил мысль, что отношение организмов и среды – фундаментальная биологическая проблема. К 1930 гг. в развитии экологии наметился качественный сдвиг. В трудах В.Шелфорда (1913–1915) был сформулирован и обоснован «принцип толерантности», количественно выражавший влияние факторов внешней среды на организмы, а с 1926 г. начались работы В.Вольтерра по внедрению в экологию математических методов и моделей. Трудами британского ученого А.Тэнсли в 20-х–30-х годах создана единая теоретическая концепция, ставшая фундаментом различных экологических дисциплин, – концепция экосистем. Похожим путем развивалась экология и в СССР, где в трудах В.Н.Сукачева (1940– 1944) было сформулировано «учение о биогеоценозе». Фундаментальное значение не только для экологии, но и для естествознания в целом имело открытие В.И.Вернадским (1926–1943) геохимической роли живого вещества и важнейших принципов устойчивости биосферы. В настоящее время экология развивается в русле идей указанных ученых, все шире опираясь на данные физики и химии, привлекая подходы системного анализа и математические методы. Не всегда можно согласиться с мнением, что личность ученого влияет лишь на ход исследования, но не на формулировку конечного научного результата. На современный облик экологии, несомненно, повлияли яркие личности ученых Э.Геккеля, А.Тэнсли, В.Вернадского, В.Сукачева и др., формировавших эту науку. Эрнст Геккель (1834–1919) родился в буржуазной семье в Потсдаме. Уступая требованиям отца, Геккель окончил медицинский (а не естественнонаучный, как он того хотел) факультет. Но практическая медицина была отвратительна Геккелю – для приема больных он установил время с пяти до шести утра, причем за полгода медицинской практики к Геккелю пришли всего три пациента, рискнувших лечиться у столь экстравагантного врача. Махнув рукой на врачеб∗

Северцов Н.А. Периодические явления в жизни зверей, птиц и гад Воронежской губернии. – М.: Тип. А.Евремова, 1855. – 430 с. 13

ные занятия сына, отец разрешил ему бросить практику и согласился финансировать годичную поездку в Италию для изучения морских животных. Упорная работа там, а затем имевшая успех монография по результатам исследований сделали имя Геккеля известным и принесли кафедру зоологии в знаменитом Иенском университете (Иена – столица Веймарского герцогства, где премьер-министром в течение многих лет был И.Гете, немало сделавший для культурного и научного прогресса). Геккель, человек невероятной работоспособности и увлеченности наукой, написал немало книг, которые читали не только специалисты, но и очень многие образованные люди того времени. Главными трудами Геккеля считают «Общую морфологию» и «Всеобщую историю мироздания». Огромной популярностью эти работы Геккеля пользовались в кругах нигилистов и анархистов, в том числе в России, поскольку он все явления живой и неживой природы объяснял материалистически, действием простых механических причин. С невероятной легкостью Геккель решал самые сложные вопросы современной ему науки. Кредо Геккеля – вульгарный, механистический материализм – отталкивало от него серьезных исследователей. Но полностью из круга уважаемых ученых его вытолкнуло пренебрежение научными методами исследования. Если выяснялось, что экспериментальные факты не согласуются с теорией, то Геккель в лучшем случае эти факты «не замечал», а иногда не останавливался и перед прямой фальсификацией результатов. Владимир Иванович Вернадский (1863–1945) в 1885 г. окончил физико-математический факультет Петербургского университета, с 1890 г. работал в Московском университете: сначала приватдоцентом, а с 1898 г. – профессором. В 1911 г. вместе с группой других прогрессивно настроенных профессоров в знак протеста против реакционной политики царского правительства оставил преподавание в университете. В.И.Вернадский внес большой вклад в становление геохимии, ввел представления о геологической роли круговых процессов с участием живого вещества. Он участвовал в политической борьбе своего времени, будучи активным деятелем земского движения и одним из основателей кадетской партии. В 1912 г. избран академиком Петербургской Академии Наук (позднее – Академия наук СССР). В годы первой мировой войны был председателем Комиссии по изучению производительных сил России. После Великой 14

Октябрьской революции выехал в Киев, где в 1919 г. стал президентом-основателем Академии наук Украины. Начиная с 20-х годов В.И.Вернадский сотрудничает с Советским правительством: с 1922 по 1939 г. возглавляет Государственный радиевый институт, а с 1927 г. до конца своих дней руководит Биогеохимической лабораторией, позднее преобразованной в Институт геохимии и аналитической химии АН СССР (ГЕОХИ). В 30-е годы В.И.Вернадский мужественно защищал репрессированных деятелей науки, в письмах на имя Председателя Совнаркома В.М.Молотова выражал критическое отношение к нарушениям законности. Несмотря на то, что и при жизни В.И.Вернадский пользовался огромным авторитетом, подлинное величие этого человека как последнего ученого-энциклопедиста и мыслителя открылось широким кругам общественности лишь начиная с 60-х годов, когда его учение о биосфере и идеи о необходимости преобразования ее в ноосферу приобрели особую актуальность. В настоящее время именем В.И.Вернадского названы крупные научные институты – ГЕОХИ Российской Академии наук в Москве и Институт общей и неорганической химии Национальной академии наук Украины в Киеве. Владимир Николаевич Сукачев (1880–1967) родился на Харьковщине, окончил в 1902 г. Лесной институт в Петербурге и всю свою жизнь посвятил изучению лесов. Свои первые научные работы – о растительности Харьковской и Курской губерний – он опубликовал еще в студенческие годы. В дореволюционные годы В.Н.Сукачев – организатор и участник экспедиций для изучения лесов Заволжья, Оренбургской, Самарской, Новгородской и Псковской губерний, Брянских лесов, растительности Урала, Карской тундры, Забайкалья и Якутии. Не смогли прервать научные исследования Сукачева ни революция, ни гражданская война. Каждый год снаряжал он новую экспедицию – и так на протяжении всей своей почти девяностолетней жизни. В 1920 г. В.Н.Сукачев избран членом-корреспондентом, а в 1943 г. – действительным членом АН СССР. Трудами В.Н.Сукачева и его школы сформирована новая научная дисциплина – фитоценология, позднее превратившаяся в важнейший раздел экологии – биогеоценологию. В 1944 г. В.Н.Сукачев основал Институт леса, ныне Институт леса и древесины СО РАН им. В.Н.Сукачева (Красноярск). 15

II. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БИОСФЕРЫ. ПОНЯТИЯ ЭКОСИСТЕМЫ И БИОГЕОЦЕНОЗА 2.1. Понятие биосферы. Биологическая регуляция геохимической среды Термин «биосфера» для обозначения области земной поверхности, охваченной жизнью, впервые ввел австрийский геолог Э.Зюсс в конце XIX века. В этот термин не вкладывали четкого содержания, понятие оставалось размытым и использовалось редко. Подлинно научное определение биосферы дал В.И.Вернадский, предложивший называть так общепланетарную оболочку, населенную организмами. Биосфера – совокупность живых организмов на поверхности Земли и комплексов их условий обитания. Все организмы, когда либо населявшие нашу планету, В.И.Вернадский назвал живым веществом. В.И.Вернадский впервые показал, что организмы не просто населяют биосферу, но и активно преобразуют облик планеты; жизнь играет общепланетарную геологическую роль. Именно этот вывод вкупе с развитыми В.И.Вернадским представлениями о биогеохимических циклах дает основание считать его основателем учения о биосфере. Процессы жизнедеятельности организмов сосредоточены в тонком приповерхностном слое («пленке жизни»). Но влияние живого вещества – современного или существовавшего ранее – сказывается далеко за его пределами, в силу чего толщина биосферы насчитывает десятки километров. Живым организмом можно назвать открытую (обменивающуюся с окружающей средой веществом и энергией) самовоспроизводящуюся, развивающуюся и саморегулирующуюся систему. В учении о биосфере исследование геологической роли живых организмов занимает центральное место. Биомасса живущих на Земле организмов (в пересчете на сухое вещество) составляет 2.42⋅1012 т, из них на долю сухопутных организмов приходится 99.9 %, а на долю водных – всего 0.1 %. Масса растений составляет 2.40⋅1012 т, масса животных – 2.3⋅1010 т, общая масса микроорганизмов неизвестна, но полагают, что она на порядки ниже массы высших организмов. Ежегодная про16

дукция живого вещества оценивается как примерно 10 % от его массы, т.е. 2.4⋅1011 т и остается неизменной в течение последнего миллиарда лет. За это время суммарная масса синтезированного в биосфере живого вещества составит 2.4⋅1011 т/год×109 лет = 2.4⋅1020 т. С другой стороны, по современным оценкам масса земной коры равняется примерно 2⋅1019 т, т.е. на порядок меньше общей массы существовавших когда бы то ни было живых существ. Из этих численных оценок следуют два важнейших вывода. Во-первых, в нынешнем виде земная кора сформировалась благодаря деятельности живых организмов. Во-вторых, вещество, входившее в состав живых организмов, после их смерти не покидает, в основном, пределов биосферы, а после соответствующих трансформаций со временем вновь попадает в состав организмов, т.е. в биосфере существует круговорот вещества. В действительности, конечно, полный круговорот совершают не отдельные вещества, а химические элементы. Основные элементы, входящие в состав живых организмов, – это кислород, углерод, водород и азот. Любой элемент, дающий растворимые соединения, совершает естественный циклический путь между биосферой и окружающей средой. Скорости круговоротов различных элементов не одинаковы. Например, атомы кислорода в биосфере попадают в живые организмы примерно раз в 300 лет, углерода – раз в 200 лет, а вода морей и океанов совершает круговорот за 20000 лет. Как развитие мыслей В.И.Вернадского о космической роли живого вещества можно рассматривать сформулированную Дж.Лавлоком и Л.Маргулисом (1973–1979) «гипотезу Геи». Суть ее состоит в том, что живые организмы вместе со своей физико-химической средой обитания образуют сложную систему регуляции, которая создает на Земле именно такие условия, которые необходимы для существования жизни, причем на уровне высших организмов. Проанализируем данные о климатических условиях Земли, Венеры и Марса (табл. 2.1). Возраст нашей планеты оценивают в 4.5 млрд. лет. Следы жизни найдены в горных породах возраста 4 млрд. лет. Вполне резонно предположить что с самого начала истории Земли на ней существовала жизнь, сыгравшая свою роль в формировании нынешнего облика планеты. Примерно 4.5–4 млрд. лет назад формирование атмосферы происходило за счет паров и газов, выделявшихся при остывании вещества планеты и за счет газов, извергаемых вулканами. Первичная атмосфера Земли состояла из водорода, метана, оксидов углерода, аммиака. Кислорода в атмосфере практически не было. 17

Таблица 2.1. Климатические условия некоторых планет Содержание газа в Марс Венера Земля без жизни Земля атмосфере, % (модель) CO2 95 98 98 0.06 N2 2.7 1.9 1.9 79 O2 0.13 следы следы 21 Средняя температура -53 477 290 13 поверхности, оС Следовательно, первичная атмосфера обладала свойствами восстановителя. С охлаждением планеты около 4 млрд. лет назад конденсация водяного пара привела к образованию водной оболочки Земли – гидросферы. Первичная атмосфера легко пропускала ультрафиолетовые лучи, что, наряду с повышенной температурой и наличием воды, способствовало протеканию разнообразных химических реакций. Заметим, что в восстановительной атмосфере органические вещества не подвергались окислению, а могли накапливаться, вступать в новые химические превращения и т.п. У древнейших живых существ процессы жизнедеятельности происходили без участия кислорода. Источником энергии для анаэробных организмов служили не процессы окисления (дыхание), а брожение. Чтобы сравнить эффективность дыхания и брожения с энергетической точки зрения, рассмотрим две реакции: брожение сахаров и их окисление: [С6Н12О6] = 2 C2H5OH + 2 CO2, ∆H 0298 = - 82 кДж/моль, 6 О2 + [С6Н12О6] = 6 H2O + 6 CO2, ∆H 0298 = -2820 кДж/моль.

(2.1) (2.2)

Очевидно, что при брожении организм получает слишком мало энергии для интенсивной жизнедеятельности. Замена восстановительной анаэробной атмосферы окислительной аэробной произошла вследствие деятельности фотосинтезирующих организмов, при помощи солнечной энергии превращающих неорганические вещества в органические и кислород: hν

6 СО2 + 6 Н2О = [С6Н12О6] + 6 О2, ∆H 0298 = 2820 кДж/моль.(2.3) При фотосинтезе в атмосфере расходовался углекислый газ и накапливался кислород. Накопление кислорода способствовало появлению в атмосфере планеты озонового слоя, поглощающего губите18

льное для высших организмов ультрафиолетовое излучение. При реакции кислорода с аммиаком в атмосфере накапливался азот. Постепенно температура и химический состав приповерхностного слоя Земли стабилизировались, и вот уже сотни миллионов лет геоклиматические условия на Земле сохраняют примерное постоянство. Таким образом, представление о том, что сначала на Земле в результате случайного взаимодействия физических сил возникла среда, благоприятная для жизни, а затем появилась и сама жизнь, ошибочно. Именно организмы играли основную роль в создании и регуляции геохимической среды, благоприятной для жизни. В.И.Вернадский отмечал, что «живое вещество есть самая мощная геологическая сила биосферы, растущая с ходом времени… На земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы» [1]. Все разнообразие этих организмов выступает как единый, мощный геохимический фактор, обеспечивающий несколько важных функций общепланетарного масштаба: концентрирование элементов в живых организмах, разрушение горных пород и рассеивание элементов в земной коре, концентрирование элементов органическим веществом сланцев, углей, нефтей. Живое вещество выполняет также газовую, окислительно-восстановительную и биохимическую функции. Концентрационная функция проявляется в способности живых организмов аккумулировать разные химические элементы из внешней среды (атмосферы, воды, почвы). Некоторые организмы накапливают ряд элементов в концентрациях, на порядки превышающих их содержания в природной среде. Следствием концентрационной функции живых организмов являются геохимические аномалии, локальные скопления некоторых химических элементов. Газовая функция осуществляется растениями, в процессе фотосинтеза пополняющими атмосферу кислородом, и всеми растениями и животными, выделяющими углекислый газ в процессе дыхания. Происходит также связанный с жизнедеятельностью организмов круговорот азота. Окислительно-восстановительная функция состоит в химических превращениях веществ с образованием солей, кислот, (гидр)оксидов и других классов химических соединений в результате окислительно-восстановительных процессов. Следствием как раз таких процессов является формирование железных и марганцевых руд, известняков и т.п. 19

Биохимическая функция осуществляется в процессе обмена веществ в живых организмах (питание, дыхание, выделение) и деструкции отмерших организмов и продуктов их жизнедеятельности. Биохимическая функция – основа круговорота элементов в биосфере. Усложнение форм жизни на Земле не противоречит законам термодинамики. Увеличение энтропии при необратимых процессах (а жизнь – это именно необратимый процесс) происходит только в изолированных системах. Но биосфера ни изолированной, ни даже закрытой системой не является: хотя большая часть вещества участвует в круговых процессах, некоторая доля его поступает в биосферу из земных недр или из космоса. Более важно, однако, что биосфера получает извне энергию. Главный источник энергии для биосферы – солнечная радиация. Некоторую долю энергии организмы получают за счет химических реакций, механических процессов и т.п. В среднем за год в виде солнечной радиации на Землю поступает 21⋅1023 кДж энергии. На участки земной поверхности, покрытые растениями и водоемами, приходится ~40 % этой энергии, но лишь небольшая доля ее запасается в продуктах фотосинтеза (2.1⋅1018 кДж) и расходуется в дыхательных процессах. Несмотря на столь малую долю солнечной энергии, приходящуюся на биологическое продуцирование и дыхание, именно эта энергия дает толчок многочисленным сложным химическим реакциям с участием живого вещества. Но рано или поздно, пройдя через любые преобразования, пришедшая на Землю солнечная энергия рассеивается в мировое пространство в виде тепла. Жизнь на Земле без непрерывного подвода солнечной энергии невозможна. Таким образом, устойчивость биосферы, ее способность к саморегулированию определяются • наличием в биосфере круговых процессов переноса вещества; • наличием внешнего источника энергии.

2.2. Сферы, охваченные жизнью – атмосфера, литосфера и гидросфера Современная атмосфера состоит из четырех основных и нескольких второстепенных компонентов с примерно постоянным содержанием и имеет ряд примесей, с переменным содержанием. 20

Основные компоненты: Компонент объемная доля, % N2 78.1 O2 20.93 Ar 0.93 CO2 0.03–0.04

Компонент Kr Ne He H2

объемная доля, % 1.1⋅10-4 1.8⋅10-3 5⋅10-4 5⋅10-5

Примеси: Компонент объемная доля, % CO 0.01–0.02 O3 0–0.05 CH4 1.2–1.5

Компонент N2O NO + NO2 NH3

объемная доля, % 0.25 0–3⋅10-3 0–0.02

Другие примеси природного происхождения, присутствующие в атмосфере, – SO2, HCl, HF, H2S. Всегда в атмосфере находится также водяной пар, масса которого достигает 13 000 млрд. т. Помимо газообразных компонентов, в состав атмосферы входят твердые примеси (пыль) различного происхождения. В условиях среднего пояса за год на 1 км2 выпадает около 5 т пыли. Масса атмосферы составляет 5⋅1018 т. С ростом высоты плотность атмосферы быстро падает: половина массы атмосферы сосредоточена в слое толщиной 5.5 км, а следующие 49 % – в слое толщиной 35 км. С высотой температура атмосферы меняется неравномерно: в тропосфере (0 – 12 км) температура меняется в интервале -50 … +40 оС. В стратосфере (12 – 40 км) до высоты 25 км температура не меняется, а затем растет до ~+10 oC. В стратосферу входит озоновый слой (выше 25 км). Атмосфера защищает биосферу от космической радиации, регулирует тепловой баланс Земли, участвует в круговоротах элементов. Жизненно важными компонентами атмосферы являются кислород, необходимый для дыхания, углекислый газ, участвующий в фотосинтезе, и азот, без которого невозможна белковая жизнь. Масса гидросферы составляет 1.4⋅1018 т. Вода покрывает три четвертых поверхности Земли. Мировым океаном называют совокупность всех морей и океанов нашей планеты. В нем сосредоточено 97 % всей воды. В зависимости от концентрации солей воды делят на морские (солесодержание более 1 г/л) и пресные (менее 1 г/л). Помимо солей, в природных водах растворены различные газы. Особое значение имеют кислород и углекислый газ. Содержание углекислого 21

газа в воде (в форме углекислоты и карбонатов) составляет 50 мл СО2 на 1 л воды и в 30 раз превышает содержание кислорода. Следовательно, Мировой океан – важнейший резервуар углекислого газа. Гидросфера, благодаря высокой теплоемкости воды, стабилизирует температурный режим планеты: зимой вода медленно остывает, летом медленно нагревается, что смягчает температурные сезонные колебания. Жизнь в гидросфере возможна лишь благодаря уникальным особенностям воды: при замерзании ее плотность уменьшается. Благодаря этому глубокие водоемы не промерзают зимой до дна, и в них сохраняется жизнь. Литосфера – твердая оболочка Земли толщиной до 40 км. Верхней границей литосферы служат атмосфера и гидросфера, внизу она граничит с мантией. Третья часть земной поверхности используется в сельскохозяйственном производстве, еще почти столько же покрыто лесами. Почти всю поверхность суши покрывает слой почвы, в котором благодаря жизнедеятельности организмов в доступном для растений виде находятся запасы азота, фосфора, калия и других элементов.

2.3. Автотрофное и гетеротрофное питание. Трофические цепи, сети и пирамиды Под микроскопом он открыл, что на блохе Живет блоху кусающая блошка; На блошке той – блошинка-крошка, В блошинку же вонзает зуб сердито Блошиночка … и так ad infinitum. Джонатан Свифт В ходе эволюции сформировалось два типа питания организмов: автотрофное и гетеротрофное. Автотрофное (самостоятельное) питание состоит в непосредственном преобразовании неорганических веществ в органические в процессе фотосинтеза с помощью внешнего источника энергии (как правило, солнечной радиации). Гетеротрофное питание – это питание уже готовыми органическими веществами. Оно присуще, главным образом, животным и большинству микроорганизмов. По типу питания организмы разделяют на продуценты, консументы и редуценты. 22

Продуценты (другое название автотрофы) – это организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических. В основном это зеленые растения, осуществляющие фотосинтез. Они потребляют излишки углекислого газа, образующегося при клеточном дыхании, и выделяют кислород (см. ур. (2.3)). Поскольку процесс синтеза органических соединений из неорганических сопряжен с затратой энергии, то принято говорить, что продуценты запасают энергию для организмов-непродуцентов, для которых пищей является органическое вещество. Консументы (потребители) – это организмы, питающиеся готовыми органическими веществами. К консументам относятся самые разнообразные организмы от микроскопических бактерий до громадных синих китов. Консументов разделяют на несколько групп в зависимости от источника используемой пищи. Консументы первого порядка (первичные консументы) питаются непосредственно продуцентами. Их самих употребляют в пищу консументы второго порядка (вторичные консументы). Скажем, кролик, поедающий морковку, – это консумент первого порядка, а лиса, съевшая кролика, – консумент второго порядка. Бывают консументы третьего, четвертого и более высоких порядков. Первичные консументы называют растительноядными или фитофагами. Консументы более высоких порядков – плотоядные. Организмы, употребляющие в пищу и животных, и растения, относят к всеядным. Если одно животное охотится на другое и в конечном счете убивает и съедает его, то говорят, что между этими животными существуют отношения «хищник-жертва». Важная группа консументов – паразиты, т.е. организмы, которые тесно связаны со своими жертвами и в течение продолжительного времени питаются ими. Отношения организмов такого типа называют отношениями «хозяин-паразит». Наконец, существует третий тип организмов – редуценты, питающиеся отходами жизнедеятельности продуцентов и консументов. Редуценты представлены бактериями, червями, грибами, моллюсками и другими организмами, разлагающими органическое вещество, содержащееся в отходах и трупах. Редуценты воссоздают неорганические вещества, необходимые для питания продуцентов. Наблюдаемый в последние десятилетия глобальный экологический кризис – это, в первую очередь, кризис редуцентов. Они не справляются с количеством и, самое главное, с новым химическим составом отходов, образующихся в результате человеческой деятель23

ности. Дело в том, что в природе каждый продуцент и консумент обеспечены своими редуцентами, а человек в возрастающем объеме загрязняет окружающую среду соединениями, в природе не встречающимися и, следовательно, своих редуцентов не имеющими. Мало того, что элементы, составляющие эти вещества, не возвращаются в круговороты, но многие из таких веществ опасны для живых существ. Скорее всего, биосфера справится и с кризисом редуцентов. Но не сведется ли найденное решение к уничтожению нарушителя устойчивости – вида Homo Sapiens? И не становятся ли новые пандемии невиданных ранее заболеваний, таких как СПИД, предвестниками того, что устойчивость процессов в биосфере вот-вот будет восстановлена ценою уничтожения ее нарушителя? При изучении отношений между организмами выясняется, что пищевые отношения составляют их основу. Можно проследить многообразные пути движения вещества в биосфере, при которых один организм поедается другим, другой – третьим и т.д. Ряд таких звеньев составляет пищевую цепь – путь, по которому пища поступает от одного организма к другому. Эти цепи лишь в исключительных случаях изолированы. Напротив, как правило, они переплетаются, составляя пищевую сеть. Например, различные растительноядные питаются сразу несколькими видами растений и, в свою очередь, являются пищей для нескольких хищников. Несмотря на многообразие возможных пищевых цепей и всю сложность пищевых сетей, все они соответствуют простой общей схеме и ведут от продуцентов к первичным консументам (или редуцентам), от них – к вторичным консументам (или, опять-таки, к редуцентам) и т.д. Продуценты, первичные, вторичные и т.д. консументы и редуценты – разные уровни этой схемы. Их называют трофическими (пищевыми) уровнями. Продуцентов относят к первому трофическому уровню, первичных консументов (растительноядных) – ко второму, вторичных (хищников, питающихся растительноядными) – к третьему и т.д. Общую массу организмов (биомассу) на каждом трофическом уровне можно измерить. Оказывается, что с переходом на следующий трофический уровень биомасса падает в 10–100 раз. Пусть, например, масса продуцентов на 1 га луга составляет 10 т. Тогда масса растительноядных организмов не превысит ~500 кг, а масса плотоядных животных – ~50 кг. Графически распределение биомассы по трофическим уровням представляет пирамида биомассы. 24

Резкое снижение биомассы при повышении трофического уровня вызвано тем, что для формирования тел консументов используется лишь малая часть потребляемой пищи, тогда как большая часть ее расходуется для получения энергии.

2.4. Экосистема и биогеоценоз Функциональными единицами биосферы являются экосистемы. Экосистему можно определить как совокупность различных видов растений, животных и микроорганизмов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей средой таким образом, что вся эта совокупность может сохраняться неопределенно долгое время. Такое определение дал экосистемам английский ученый А.Тэнсли в 1935 г. Как и биосфера в целом, каждая экосистема является открытой системой, существующей за счет подвода энергии извне. Поток энергии создает четко определенную структуру экосистемы и круговорот вещества между ее живой (биотической) и неживой (абиотической) частями. С биологической точки зрения удобно считать, что компоненты экосистемы – это неорганические вещества, участвующие в круговоротах; органические соединения, связывающие биотическую и абиотическую части; воздушная, водная и субстратная среда, включающая климатический режим и другие физические факторы; живую составляющую экосистемы – биоценоз. Биоценоз представляют состоящим из двух ярусов: верхнего (автотрофного) и нижнего (гетеротрофного). Совокупность абиогенных компонентов экосистемы называют экотопом (биотопом). Очень близким к понятию экосистемы является введенное В.Н.Сукачевым понятие биогеоценоза. Однако, в отличие от экосистемы, биогеоценоз всегда четко привязан к той или иной территории. Давайте сравним определение биогеоценоза (по Н.В.ТимофеевуРесовскому): биогеоценоз – это «участок территории или акватории Земли, через который не проходит ни одна установимая существенная биогеноценотическая, микроклиматическая, гидрологическая, почвенная и геохимическая границы» с рассуждением Ю.Одума: «Часто удобными оказываются естественные границы (экосистемы), например берег озера или опушка леса, или административные, … они (границы) могут быть и условными» [2]. Если в первом высказывании биогеоценоз должен обладать внутренней однородностью (а, 25

значит, иметь четкие разграничения от других однородных структур), то при выделении экосистемы допускается проведение условных границ. На практике больших противоречий при использовании понятий экосистема и биогеоценоз не наблюдается, часто они выступают как синонимы. Структура биогеоценоза по В.Н.Сукачеву представлена на рисунке. Биотоп (экотоп) микроклимат

почва

рельеф

воды

Антропогенные факторы

растительность

животный мир

микроорганизмы

Антропогенные факторы

Биоценоз

Познакомившись с понятиями экосистемы и биогеоценоза, мы теперь можем уточнить определение науки экологии. Согласно современным представлениям, экология – это наука об организации и функционировании экологических систем.

IІІ. ЭЛЕМЕНТЫ ФАКТОРИАЛЬНОЙ ЭКОЛОГИИ 3.1. Понятие об экологических факторах Понятие «экологического фактора» – одно из наиболее общих и чрезвычайно широких понятий экологии. Под экологическими факторами понимают такие свойства компонентов экосистемы и характеристики ее внешней среды, которые оказывают непосредственное влияние на биотическую компоненту экосистемы. Факторы разделяют на внешние и внутренние по отношению к данной экосистеме. 26

К внешним относят те факторы, которые в той или иной степени влияют на процессы в экосистеме, не испытывая обратного воздействия. Например, внешними факторами являются солнечная радиация, ветер, атмосферное давление, температура и т.п. Внутренние факторы не только меняют характеристики экосистемы, но и сами подвержены ее воздействию. Фактически, внутренние факторы – это не что иное, как компоненты экосистемы. К внутренним факторам относят численности организмов в популяциях, биомассы популяций, характеристики почвы, приповерхностного слоя воды водоемов и т.п. Факторы также разделяют на биотические (воздействия организмов и их популяций друг на друга) и абиотические (характеризующие воздействие на экосистему неживых ее компонентов и внешней среды). Число потенциальных экологических факторов практически бесконечно. Однако по степени воздействия на экосистемы различные факторы весьма отличаются. В наземных экосистемах наиболее значимые факторы, как правило, – это интенсивность солнечной радиации, температура и влажность воздуха, интенсивность атмосферных осадков, а также различные формы антропогенного влияния. Каждому экологическому фактору можно сопоставить математическую переменную xi, принимающую значение в некотором интервале. Совокупность интервалов всех экологических факторов составляет евклидово пространство факторов ε = {x1, x2, ..., xi, ..., xn}, где n – количество рассматриваемых факторов. Каждой конкретной комбинации значений экологических факторов отвечает точка экологического пространства ε с координатами (x1*, x2*, ..., xi*, ..., xn*). Задачами факториальной экологии являются: • выявление значимых экологических факторов и интервалов их изменения; • изучение связей (корреляций) между факторами; • качественное и количественное исследование влияния факторов на устойчивость экосистемы. Для количественной оценки влияния экологических факторов вводят переменные ϕj, j = 1, 2, ..., m, (функции благополучия), характеризующие показатели жизнедеятельности организмов или экосистемы в целом. Такими показателями могут быть общая биомасса в 27

экосистеме, скорость роста организмов, интенсивность фотосинтеза, продолжительность жизни и т.п. Функции благополучия ϕj зависят от экологических факторов xi: ϕj = ϕj(x1, x2, ..., xn). Если факториальная экология может найти такие количественные зависимости, решение остальных задач этого раздела экологии существенно облегчается. К сожалению, поиск зависимостей ϕj = ϕj(x1, x2, ..., xn) требует огромного количества наблюдений на протяжении длительного промежутка времени. Обычно приходится довольствоваться менее полной информацией. Ее получают следующим образом. При фиксированных значениях экологических факторов (x2*, ..., xn*) варьируют в лабораторных условиях или наблюдают естественное изменение фактора x1, регистрируют изменение выбранного отклика ϕj и получают оценку частной функции благополучия ϕj(1) = ϕ(x1, x2*, ..., xn*). Затем повторяют процедуру, варьируя x2 при фиксированных величинах остальных факторов и оценивают ϕj(2) = ϕ(x1*, x2, ..., xn*). В конце концов получают набор частных функций благополучия ϕj(i), описывающий влияние каждого экологического фактора по отдельности при фиксированных значениях остальных факторов. Например, в лабораторных условиях в специальных камерах выращивают растения, где контролируют все абиотические параметры. Один из параметров, например, температуру или влажность, меняют по заранее определенному плану. По мере повышения температуры от некой величины, при которой растение гибнет, рост становится все интенсивнее, достигая максимума. При дальнейшем повышении температуры растение чувствует себя все хуже, пока его рост не прекращается. С дальнейшим повышением температуры растение гибнет. Функцию благополучия удобно определить так, чтобы положительные ее значения отвечали благополучию организма, а отрицательные свидетельствовали о неприемлемых для его существования условиях. Типичные графики частных функций благополучия приведены на рис 3.1 а, б.

28

Значению xi0 отвечает оптимальная величина данного фактора, в интервале [xi0-∆; xi0+∆] (его называют интервалом толерантности) функция благополучия положительна, и происходит устойчивое развитие организмов, тогда как вне этого интервала жизнедеятельность подавлена или вовсе невозможна. На границах интервала толерантности лежат стрессовые зоны. Необходимо также подчеркнуть, что ширина интервала толерантности, положение в нем точки оптимума, форма и масштаб функции отклика для данного фактора могут значительно изменяться в зависимости от значений, принимаемых другими факторами.

а

ϕ(x)

ϕ

0 xi0-∆

xi

0

ϕ(x)

0

0

xi +∆

б

xi0-∆

xi

Рис. 3.2. Возможный вид функции благополучия. Значение различных экологических факторов для организмов отличается. Легко представить условия, когда решающим становится действие лишь одного фактора. Такими факторами будут наличие влаги для растений пустыни, температура – для растений тундры, наличие питательных элементов – для растений, произрастающих во влажных условиях и при хорошей освещенности. Результаты многочисленных наблюдений можно обобщить в виде закона лимитирующих факторов∗: даже единственный фактор за пределами зоны своего оптимума приводит к стрессовому состоянию организма и в пре-

0 xi0-∆

xi0

xi0+∆

Рис. 3.1. Графики функций благополучия. Следует отметить, что в ряде случаев не удается получить зависимость функции благополучия от выбранного фактора для всего возможного интервала его значений. В этом случае график может иметь вид, изображенный на рис. 3.2. 29

∗

Этот закон впервые сформулирован Ю.Либихом в 1840 г. при исследовании влияния химических удобрений на рост растений. Он выяснил, что уменьшение дозы какого-либо удобрения, вносимого в почву, вызывает замедление роста. 30

деле – к гибели. Впоследствии этот закон был исследован и дополнен В.Шелфордом, сформулировавшим принцип толерантности: для каждого экологического фактора существует интервал толерантности, за пределами которого организм существовать не может; угнетение или гибель организма определяются теми факторами, значения которых выходят или приближаются к пределам толерантности. Какими могут зависимости функций благополучия от экологических факторов в общем случае – сказать трудно. Однако некоторые характерные виды зависимостей были установлены достаточно давно. Согласно [3], еще в 1909–1918 г. А.Митчерлих и Б.Бауле, изучавшие урожайность сельскохозяйственных культур в зависимости от физических и химических факторов, предложили формулы для частных функций благополучия. Так, для зависимости функции ϕ от переменной xi при фиксированных значениях остальных факторов можно записать:

1

ϕ 2

3

xi Рис. 3.3. Графики функций (3.1.).

ϕ*(xi) = Ai(x1*, x2*, …, xi-1*, xi+1*, …, xn*)⋅(1 - exp(-cixi))⋅exp(-kixi2), (3.1) где величина Ai зависит от значений фиксированных факторов, коэффициенты ci и ki описывают благотворное и угнетающее влияние фактора xi на функцию благополучия. Типичные графики функций (3.1) приведены на рис. 3.3. Кривые 1, 2, 3 соответствуют увеличению коэффициента ki (для кривой 1 ki = 0). Принимая коэффициент ki тождественно равным нулю (т.е. пренебрегая отрицательным воздействием больших значений факторов), формулу (3.1) обобщили на случай общей функции благополучия:

ϕ( x1, x2, …, xn) = A⋅(1 - exp(-c1x2))⋅(1 - exp(-c2x2))×

(3.2)

× …×(1 - exp(-cnxn)). Конечно, уравнение (3.2) пригодно для описания лишь довольно узкого класса функций благополучия – таких, которые являются неубывающими для всех экологических факторов. В то же время, эта формула – исторически первый опыт использования математических моделей в экологии для прогнозирования: на основании многолетних наблюдений были определены коэффициенты ci для таких факторов, как солнечная радиация, температура почвы, количество атмосферных осадков, содержание в почве различных химических элементов и др., что дало возможность предсказывать урожайность различных сельскохозяйственных культур в тех или иных условиях. 31

3.2. Понятие об экологических нишах Как мы уже убедились, решение задач факториальной экологии предусматривает исследование пространства экологических факторов и функций благополучия. Очевидно, что область, в которой определенная функция благополучия ϕi положительна, представляет собой некое подпространство экологических факторов ℜi. Назовем экологической нишей пересечение этих подпространств Ω, отвечающее положительным значениям различных функций благополучия и представляющее собой совокупность условий (экологических факторов), при которых возможна жизнь данного организма (вида организмов). Термин «экологическая ниша» ввели в научный обиход Р. Джонсон и Дж. Гриннел (1910–1917), но лишь в конце 50-х годов Д. Хатчинсон придал этому понятию современное понимание и количественную (математическую) окраску. Как указывалось ранее, поиск обобщенных функций благополучия часто сопряжен с труднопреодолимыми сложностями. Естественно, с этим связаны проблемы в отыскании экологических ниш. Когда информация об обобщенных функциях благополучия бедна, приходится ограничиваться исследованием частных функций благополучия. При этом удается получить далеко не полные сведения об экологической нише. 32

Фактически, при анализе частных функций благополучия вместо всей экологической ниши доступными для изучения оказываются лишь отдельные ее сечения, соответствующие некоторым варьируемым факторам из числа многих возможных. Именно в таких случаях говорят о «климатических», «гидрохимических» и других «частных» экологических нишах. Наверное, важнейшей характеристикой экологических ниш является то, что каждый вид организмов в экосистеме занимает свою собственную, строго определенную нишу; у разных видов ниши не совпадают. Рассматривая взаимное расположение ниш разных видов в пространстве экологических факторов, можно достаточно полно определить, каковы возможности сосуществования различных видов. Можно представить три варианта расположения ниш двух видов организмов в пространстве экологических факторов (рис. 3.4) : а) полное несовпадение; б) полное включение одной ниши в другую и в) частичное пересечение. В случае, если по каким-либо причинам экологическая ниша освобождается (заполнявший ее вид гибнет), то пустой она не останется. Рано или поздно ее займет другой вид, произойдет экологическое дублирование. Зная параметры какой-либо ниши, оказавшейся свободной, экологи могут описать вид, который должен ее занять. Например, в результате развития медицины в ХХ веке почти полностью были побеждены такие инфекционные болезни, как чума, холера, оспа; микроорганизмы – возбудители этих болезней погибли. Их место неминуемо должны были занять другие организмы. Такой прогноз был сделан еще 30 лет назад. Он, к несчастью, вполне оправдался – место уничтоженных микроорганизмов занял вирус СПИДа.

а x2

x1

б x2

x1

в x2

x1

Рис. 3.4. Возможное расположение экологических ниш разных видов.

33

34

Солнечная радиация представляет собой электромагнитное излучение в широком диапазоне волн, составляющих непрерывный спектр от 0.1 нм до 30 мкм. Спектральный состав лучистой энергии характеризует функция распределения энергии излучения по длинам волн q(λ), Вт⋅м-2⋅мкм-1, (спектральная плотность потока радиации) (рис. 3.5). Интенсивность потока энергии излучения с длинами волн

3.3. Характеристика основных абиотических факторов 3.3.1. Энергия в экологических системах Славословие Солнцу: Привет тебе, владыка вечности. Властвуешь ты над высью. Касаешься ты неба и земли. Удалил ты облака и тучи. Слышишь ты зов того, который во гробе. Поднимаешь ты мертвых. Вкушаешь ты правду у того, кто с ней. Сияешь ты тем, кто во тьме. Фараон Эхнатон (Аменхотеп IV, XIV в. до н.э.)

λ макс

в интервале λ0 – λмакс составляет Q =

∫ q(λ) dλ , а интенсивность сум-

λ0

∞

марной радиации – Q = ∫ q(λ ) dλ . При прохождении солнечного излу0

чения через атмосферу его энергетический спектр сильно меняется, что имеет первостепенное значение для живых организмов. Так, озоновый слой атмосферы сильно поглощает ультрафиолетовое излучение, а облачный покров – инфракрасное.

Среди всех экологических факторов важнейшим является энергия. По способам получения энергии экосистемы делятся на • системы, получающие энергию только от Солнца (это все системы Мирового океана, значительная часть экосистем суши) и • системы, существующие за счет солнечной радиации и дополнительных источников энергии (энергии ветра, приливных волн, энергии, освобождающейся при химических реакциях).

1 q(λ )

3.3.1.1. Солнечная радиация Солнечная радиация, достигающая поверхности Земли, является основным источником энергии для поддержания теплового баланса планеты, водного обмена организмов, создания и превращения органического вещества автотрофным звеном биосферы. Следует говорить о превращениях энергии из одной формы в другую: энергия солнечной радиации превращается в химическую энергию, запасаемую фотосинтезирующими растениями, а последняя превращается в другие формы по мере прохождения пищевых цепей. На каждом трофическом уровне часть потенциальной химической энергии пищи, высвобождаясь, позволяет организмам осуществлять свои жизненные функции и параллельно рассеивается в виде тепловой энергии. 35

2 0

1

2

3

λ , мкм Рис. 3.5. Спектральная плотность потока энергии солнечного излучения на верхней границе атмосферы (1) и на уровне земной поверхности (2).

36

Таблица 3.1. Примерные величины интегрального альбедо для различных поверхностей Поверхность α Пустыня 0.30 Степь 0.18 Лиственный лес 0.18 Хвойный лес 0.14 Тундра 0.18 Устойчивый снежный покров 0.5 – 0.8 Часть солнечной радиации, поступившей на верхнюю границу экосистемы, отражается. Величина коэффициента отражения (альбедо, α) определяется характером растительности, типом почвы, свойствами снегового или водного покрова поверхности, углом падения солнечных лучей и спектральным составом приходящего излучения. Ориентировочные величины альбедо приведены в табл. 3.1. Оставшаяся после отражения часть солнечной радиации Q⋅(1-α) поглощается экосистемой. Меньше всего при прохождении через атмосферу ослабляется видимый свет (350 – 750 нм), наиболее важный для фотосинтезирующих растений. Фотосинтез может происходить и в пасмурные дни, и под слоем воды некоторой толщины. Растительность сильно поглощает синие и красные лучи, а также дальнее инфракрасное излучение. Зеленый свет поглощается слабее, ближнее инфракрасное излучение – в очень малой степени. Отражая ближнее инфракрасное излучение, несущее основную часть тепловой энергии, растения избегают перегрева. Помимо прямой солнечной радиации, другим компонентом приходной части энергетического баланса экосистем является тепловое излучение. Оно исходит от всех поверхностей, от всех тел. На поверхность экосистемы поступает инфракрасное излучение атмосферы, интенсивность которого пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры излучающей поверхности. Сама земная поверхность также излучает инфракрасное излучение. Суммарное количество энергии, поступающей на автотрофный уровень экосистемы, составляет EΣ = Q⋅(1-α) + E0 - Ea,

(3.3)

37

где E0 – количество тепловой энергии инфракрасного излучения атмосферы, Ea – количество тепловой энергии, излучаемой поверхностью экосистемы. Отметим, что первые два слагаемые в выражении (3.13) – Q⋅(1-α) и E0 – близки по величине. Значения EΣ весьма отличаются для различных географических широт, времен года, типов земной поверхности. Для средних широт суточная плотность энергии EΣ колеблется от 0.8–1 кДж/см2 зимой до 4.0–4.5 кДж/см2 летом. Энергия, поступившая в экосистему, испытав ряд промежуточных превращений, в конечном итоге расходуется на нагревание экосистемы (Р1), турбулентную передачу тепла в атмосферу (Р2), фотосинтез (Р3) и испарение (Р4): E Σ = Р 1 + Р 2 + Р 3 + Р 4,

(3.4)

причем энергозатраты на нагревание (до 67 % EΣ) и испарение (32 % EΣ) намного превосходят энергозатраты на фотосинтез (0.8–1 % EΣ). Помимо энергии солнечной радиации, в энергетическом балансе биосферы учитывают также вклад тепла Земли (~0.5 % солнечной энергии) и тепла приливов (~0.002 % энергии солнечной радиации). Энергия химических реакций, не связанных с фотосинтезом, важная для существования отдельных типов экосистем, в общем энергетическом балансе несущественна. 3.3.1.2. Фотосинтез Существование всех высших форм жизни определяется процессом фотосинтеза, поскольку кислород атмосферы образован именно в результате этого процесса. Уравнение реакции фотосинтеза можно записать в виде CO2 + H2О + hν = [CH2O] + O2,

(3.5)

где hν – квант света, (CH2O) – фрагмент молекулы углевода. Изменение энергии Гиббса ∆G 0298 = +504 кДж/моль, изменение энтальпии ∆H 0298 = +470 кДж/моль, изменение энтропии (при 300 К) ∆S0298 = -113 Дж/(моль⋅К). На образование одной молекулы О2 расходуется 8 квантов света с суммарной энергией около 1470 кДж/моль. Следовательно, коэффициент использования энергии при фотосинтезе равен 504/1470 = 0.34 [3]. Основная задача химии фотосинтеза состоит в раскрытии механизма превращения электромагнитной энергии в энергию химиче38

скую. Окончательной ясности в этом вопросе еще нет, хотя многие подробности процесса фотосинтеза уже хорошо изучены. Первая стадия фотосинтеза состоит в поглощении света пигментами, среди которых наиболее важен хлорофилл. К.А.Тимирязев показал, что спектр действия солнечного света при фотосинтезе соответствует спектру поглощения хлорофилла. Возбужденные молекулы хлорофилла восстанавливаются в конечном счете за счет молекул воды. На одну фотосинтетическую единицу (фермент) приходится около 300 молекул хлорофилла. Скорость фотосинтеза можно представить эмпирическим уравнением Михаэлиса-Ментен v=

k⋅c⋅I , K+I

(3.6)

где k – константа скорости ферментативной реакции, с – концентрация фермента, I – интенсивность падающего света, К – константа. При большой интенсивности падающего света (I >> K) vмакс = k⋅с. Величина k составляет примерно 6 с-1, концентрация фермента с = (Chl)/300, где (Chl) – концентрация хлорофилла. Тогда максимальная скорость фотосинтеза vмакс ≈ 6 ⋅ (Chl) / 300 = 0.02 (Chl) c-1.

(3.7)

Следовательно, максимальная скорость фотосинтеза составляет одну молекулу кислорода на одну молекулу хлорофилла за 50 с. Существуют микроорганизмы – серные бактерии, живущие за счет энергии солнечного света, но не содержащие хлорофилла и вместо воды в качестве восстановителя углекислого газа использующие сероводород: CO2 + 2 H2S + hν = [CH2O] + H2O + 2 S .

(3.8)

В отличие от зеленых растений, серные бактерии не накапливают углеводы, а синтезируют, преимущественно, аминокислоты и белки. Энергетически процесс фотосинтеза с участием серных бактерий намного менее выгоден, чем у зеленых растений, поскольку изменение энергии Гиббса при реакции (3.8) составляет всего 100 кДж/моль, а не 504 кДж/моль, как для реакции (3.5). Биосферная деятельность серных бактерий как первичных автотрофов незначительна: за счет их деятельности поглощается 3 – 6 % всей солнечной радиации, используемой в фотосинтезе. Вместе с 39

тем, она может иметь экологическое значение для систем с повышенным содержанием сероводорода (водоемы с интенсивным гниением, загрязненные промышленные сточные воды и т.п.). 3.3.1.3. Хемотрофные микроорганизмы Хемотрофные бактерии – это микроорганизмы, использующие как источник энергии для автотрофного питания реакции окисления некоторых неорганических веществ. Основной средой обитания этих микроорганизмов является почва, лишь немногие из них обитают в водоемах. Хемотрофы классифицируют по химической природе окисляемых веществ на • нитрифицирующие бактерии (окисление аммонийного или нитритного азота); • водородные бактерии (окисление водорода); • серобактерии (окисление сероводорода); • железобактерии (окисление железа(II)); • стибиобактерии (окисление сурьмы(III)). Одни нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до азотистой кислоты: 2 NH3 + 3 O2 = HNO2 + H2O, ∆H 0298 = -663 кДж.

(3.9)

Другие – азотистую кислоту: 2 HNO2 + O2 = 2 HNO3, ∆H 0298 = -142 кДж.

(3.10)

Эффективность использования химической энергии различными видами нитрифицирующих бактерий колеблется от 6 до 55 %. Нитрифицирующие бактерии широко распространены в природе. Осуществляемые ими процессы играют важную роль в круговороте азота. В зависимости от почвенно-климатических условий нитрифицирующая способность бактерий колеблется от 30 до 90 кг/га за год. Ранее процессы нитрификации считали полезными для плодородия почвы. В последние годы взгляды на значение этого процесса изменились. Вопервых, аммонийных азот легче усваивается растениями и, во-вторых, нитраты достаточно легко восстанавливаются до молекулярного азота, что приводит к снижению содержания азота в почве. 40

Водородные бактерии существуют в условиях, где в ощутимых количествах присутствует водород, например, в донных отложениях водоемов. Часть энергии, выделяемой при реакции 2 H2 + O2 = 2 H2O, ∆H 0298 = -235 кДж,

(3.11)

идет на восстановление углекислого газа: 6 H2 + 2 O2 + CO2 = [CH2O] + 5 H2O.

(3.12)

Коэффициент использования химической энергии водородными бактериями достигает 30 %. Их по сравнению с другими автотрофными микроорганизмами отличает высокая скорость роста и, следовательно, высокая скорость продуцирования биомассы. По этой причине водородные бактерии используют в микробиологическом синтезе кормового белка. Серобактерии окисляют не только сульфиды, но и иные химические формы серы: серу – простое вещество, сульфиты, тиосульфаты, роданиды и др.: 2 H2S + O2 = 2 S + 2 H2O, ∆H 0298 = -272 кДж,

(3.13)

2 S + 3 O2 + H2O = 2 H2SO4, ∆H 0298 = -1107 кДж.

(3.14)

Серобактерии обитают в водоемах, обогащенных сероводородом, который образуется либо в результате гнилостных процессов (болота, пруды-накопители), либо как результат жизнедеятельности бактерий, восстанавливающих сульфаты до сульфидов (Черное море), а также в промышленных сточных водах. Геохимическим результатом деятельности бактерий, окисляющих сероводород, является образование месторождений самородной серы. Серобактерии, продуцирующие серную кислоту, «виновны» в выщелачивании руд и месторождений серы. Железобактерии существуют за счет весьма небольшой энергии, высвобождающейся при окислении железа(II) до железа(III): 4 Fe2+ + 4 H+ + O2 = 4 Fe3+ + 2 H2O, ∆H 0298 = -46 кДж.

(3.15)

Как результат, железобактерии вынуждены окислять большие массы соединений железа(II): для образования 1 г сухой биомассы необходимо окислить 500 г сульфата железа(II). Из этого факта проистекает большая геохимическая роль железобактерий: поскольку соединения 41

железа(III) гидролизуются значительно сильнее, чем соли железа(II), а (гидр)оксид железа(III) обладает очень низкой растворимостью, реакция (3.15) ведет к созданию отложений железосодержащих минералов, например, болотной руды.

3.3.2. Температура и влажность Температура и влажность – основные климатообразующие факторы. На формирование температурного режима экосистем оказывают основное влияние два фактора. Во-первых, это часть энергии солнечной радиации, непосредственно расходуемая на повышение температуры экосистемы. Во-вторых, это температура воздуха в верхних слоях атмосферы (на температуру у поверхности земли весьма существенно влияет вторжение теплых или холодных масс воздуха). В экологии наиболее употребительными количественными характеристиками температурного режима являются средняя, минимальная и максимальная температуры за сутки, месяц, год и т.п. Наиболее значимым фактором является не средняя температура как таковая, а амплитуда изменения температуры в течение суток и в течение года. Например, экосистемы тропиков с изобилием растительности и разнообразным животным миром характеризуются суточными и сезонными колебаниями температуры всего в несколько градусов, тогда как в биологически бедных экосистемах, находящихся в зонах резкоконтинентального климата, суточные колебания температуры превышают двадцать градусов. Несмотря на большие различия в температурных приспособлениях живых организмов, для большинства из них температурный оптимум находится при 20–30 оС. Пределы толерантности различных видов к изменению температуры весьма отличны: есть организмы, жизнь которых возможна в температурных пределах всего в несколько градусов, в то время как семена многих растений выдерживают охлаждение практически до абсолютного нуля (-273 оС), живущие в районах подводных вулканов бактерии существуют в воде, нагретой до 70–90 оС, а споры бактерий не гибнут при температурах до 120 оС. По отношению к температуре окружающей среды организмы делят на три группы: • гомойотермные (теплокровные) организмы, температура тела которых не зависит от температуры окружающей среды. Для

42

этих организмов контрастность температур тела и внешней среды может достигать 70 оС; • пойкилотермные (холоднокровные) организмы, температура тела которых зависит от температуры окружающей среды; • гетеротермные организмы, при благоприятных условиях ведущие образ жизни теплокровных животных, а с понижением температуры окружающей среды (при приближении ее к пределу толерантности) впадающие в спячку. Различают химический и физический способы нагревания организма. Химический способ состоит в получении необходимой для нагревания тела энергии за счет пищи; физический способ – это различные поведенческие реакции, замедляющие процессы жизнедеятельности (скажем, замедленное дыхание, ограничение подвижности и т.п.). Не всегда химический способ нагревания состоит в получении энергии за счет пищи, случается, что в неблагоприятных условиях организм добывает энергию, разлагая на более простые компоненты жиры и белки, входящие в состав тканей. При недостатке пищи стойкость организмов к пониженным и, в особенности, повышенным температурам, выходящим за пределы толерантности, падает (в качестве иллюстрации на рис. 3.6. представлена продолжительность жизни голодных воробьев (L, сутки) в зависимости от температуры окружающей среды). Благодаря уникальным физико-химическим свойствам, вода занимает совершенно особое место в биосфере. Значение воды определяется тем, что для многих видов она является средой обитания, для всех организмов вода – это основная среда в клетке, где осуществляются реакции и процессы метаболизма; вода выступает как исходный, промежуточный или конечный продукт биохимических превращений. С экологической точки зрения вода служит лимитирующим фактором как в наземных системах, где ее количество может меняться, так и в водных, где содержание воды в организмах зависит регулируют осмотические процессы, зависящие от солености воды. Высоким является и содержание воды в организмах: Животные Массовая доля воды, % саранча в пустыне 35 амбарный долгоносик 47 мышь 79 головастик 93

43

60

L

50 40 30 20 10 0

-40

-20

0

20

40

o

t, C Рис. 3.6. Продолжительность жизни голодных воробьев (L, сутки) в зависимости от температуры окружающей среды Наиболее чувствительны к наличию воды растительные организмы. Для них характерен процесс транспирации –испарение влаги через поры. Вода, поступающая в растения из почвы, почти полностью – на 97–99 % – испаряется через листья в результате транспирации. Количественной оценкой транспирации является ее эффективность: Э=

масса сухого вещства растений, г . масса испаренной воды, кг

(3.16)

Для растений пустыни эффективность транспирации близка к четырем, для растений средней полосы не превышает двух. Испарение влаги охлаждает листья и способствует круговоротам биогенных элементов Для различных экологических систем выполняется эмпирическое соотношение lg P = (1.7±0.3) lg A – 1.7,

(3.17) 2

где Р – продуктивность наземных частей растений, г/м , А – годовое испарение влаги с поверхности, мл/см2. Последняя величина служит одновременно как мерой степени увлажнения экологической сис44

темы, так и мерой солнечной энергии, поступающей в экосистему. Уравнение (3.17) показывает, что производство биомассы экосистемами, а, значит, в конечном итоге, изобилие и разнообразие форм жизни в них, можно представить как функцию двух экологических переменных – влажности и потока солнечной радиации (или зависящей от него температурной характеристики). Конкретному сочетанию влажности и температуры соответствует особый биом – совокупность экологических систем, имеющих близкие характеристики (табл. 3.2.). Развитие того или иного биома определяется, в первую очередь, климатическими условиями, т.е. устойчивым режимом температуры и осадков. Увлажнение – основной фактор, определяющий деление биомов на пустынные, степные и лесные. Годовая сумма осадков 750 мм представляет собой нижний предел толерантности большинства деревьев, 250 мм – злаковых растений, 50–100 мм – кактусов и других специфических растений пустыни. Таким образом, в местностях с годовым количеством осадков более 750 мм растут леса, при количестве осадков 250–750 мм формируются злаковые степи, а там, где осадков менее 250 мм – пустыни. Температура формирует тот или иной тип лесов, степей или пустынь. Таблица 3.2. Смена биомов в зависимости от температуры и увлажнения Температурный Количество осадков, мм/год режим 0–250 250–750 >750 очень долгая суарктическая ровая зима, вечпустыня тундра ная мерзлота прохладный клихолодная мат с суровыми пустыня елово-пихтовый лес (тайга) зимами умеренный сепустыня зонный климат умеренного (зимы с отрицапояса степь листопадный тельными темпелес ратурами) жаркий климат жаркая пус- степь (саванна) тропический (без заморозков) тыня лес

45

3.3.3. Ионизирующее излучение Среди экологических факторов, оказывающих существенное влияние на жизнедеятельность организмов, следует рассмотреть ионизирующее излучение – излучение с очень высокой энергией, достаточной для ионизации атомов и молекул. Большая часть солнечного излучения не имеет такой энергии. Источниками ионизирующего излучения являются естественные и искусственные радиоактивные изотопы (радионуклиды) и космические лучи. Необходимость изучать биологическое действие ионизирующих излучений стала особенно острой в результате безответственного использования человеком ядерных технологий. Начатые по инициативе США ядерные испытания в атмосфере внесли в биосферу радионуклиды, которые впоследствии стали выпадать в виде радиоактивных осадков; аварии на атомных электростанциях, захоронения радиоактивных отходов способствуют проникновению радиоактивных элементов в окружающую среду. Проблема оценки экологической роли радиоактивных излучений тем более остра, что до ХХ века наука ничего не знала ни об их существовании, ни о биологическом действии. Например, Мария Кюри-Склодовская, лауреат Нобелевских премий по физике и химии, всегда возила с собой 1 г радия, не заботясь специально о защите от радиоактивного излучения. Как результат, М.Кюри-Склодовская заболела лучевой болезнью; странички рабочих дневников Кюри-Склодовской и сейчас, спустя десятилетия после ее смерти, обладают высокой, опасной для здоровья и самой жизни радиацией. Из трех видов ионизирующих излучений, наиболее важных в экологическом отношении, два представляют собой корпускулярное излучение – α-частицы (ядра изотопа

4 2 He )

и β-частицы (электроны),

а третий вид излучения – электромагнитные волны (γ-излучение и рентгеновское излучение). α-частицы сравнительно легко задержать, длина их свободного пробега в воздухе составляет всего несколько сантиметров. Однако, столкнувшись с мишенью, будь то лист бумаги или человеческая кожа, α-частицы вызывают очень сильную локальную ионизацию. β-частицы обладают значительно большей длиной свободного пробега – несколько метров в воздухе, несколько санти46

метров в тканях организмов. Ионизирующее электромагнитное излучение проходит в воздухе большие расстояния и легко проникает в вещество, высвобождая энергию на протяжении всего пути в нем. γлучи легко проникают в живые ткани. Они могут пройти через организм, не оказав никакого воздействия, но могут и вызвать ионизацию на протяжении своего пути. Радиоактивные вещества, излучающие α- и β-частицы, часто называют внутренними излучателями, т.к. они оказывают наибольшее действие, находясь внутри организма. Космическая составляющая ионизирующего излучения и излучение, исходящее от естественных радионуклидов. называют фоновым излучением. К нему организмы адаптированы. Более того, существует мнение, что без этого излучения эволюционные процессы живых организмов были бы либо заторможены, либо вовсе невозможны. Интенсивность фонового излучения довольна мала, хотя может варьироваться в несколько раз в зависимости от высоты местности над уровнем моря или наличия у земной поверхности гранитных пород, обогащенных радионуклидами. Интенсивность излучений оценивают, измеряя 1) число радиоактивных распадов в данном количестве веществе за единицу времени и 2) дозу излучения по количеству поглощенной энергии. Основная единица радиоактивности – Кюри (Ки), 1 Ки = 2.2⋅1012 распадов/мин. Единицу радиоактивности, из уважения к вкладу супругов Пьера и Марии Кюри в ядерную физику, выбрали таким образом, что 1 Ки соответствует количеству распадов за 1 мин в 1 г радия. Дозу излучения измеряют в разных шкалах. Согласно системе СИ, доза излучения измеряется в Дж/кг, в качестве единицы измерения используют рад, 1 рад = 10-2 Дж/кг. Устаревшая единица дозы – рентген – применима лишь для γ и рентгеновского излучений, в этом случае 1 рентген = 1 рад. Важной характеристикой дозы служит ее мощность – величина дозы, полученная в единицу времени. До настоящего времени наиболее изучено действие острых доз, когда излучение поглощается организмами в течение короткого промежутка времени. Общее правило таково: чем менее развит организм, тем большую острую дозу ионизирующего излучения он способен воспринять (табл. 3.3). Доза, оказывающая ощутимое влияние на зародыши организмов, на один-два порядка ниже дозы, к которой чувствительны взрослые особи. 47

Таблица 3.3. Устойчивость различных организмов к острым дозам ионизирующего излучения Организмы Доза, рад серьезное нарушение немедленная гибель функций размножения 50 % организмов бактерии 5⋅106 5⋅104 3 насекомые 105 7⋅10 2 млекопитающие 103 2⋅10 Влияние на организмы хронических доз ионизирующего излучения (доз, действующих в течение длительного времени) исследовано меньше. Очевидно, однако, что они оказывают неблагоприятное воздействие. Так, растения, подвергавшиеся длительному радиоактивному облучению, отстают в росте, более подвержены болезням и паразитам. У высших животных хронические низкие дозы ведут к повреждению кроветворных тканей костного мозга, пищеварительного тракта, развитию опухолей различных органов, причем поражения могут проявиться лишь спустя много лет после облучения. Наиболее важным результатом последних лет следует признать вывод, что предела толерантности по отношению к хроническим дозам излучения, превышающим фоновый уровень, у высших организмов, включая людей, нет, т.е. любые хронические дозы излучения подавляют развитие организмов. Этот вывод должен, по-видимому, привести к пересмотру в сторону ужесточения нормативов, регулирующих допустимые дозы радиации для сотрудников атомных электростанций и других лиц, работающих в условиях повышенной радиационной опасности. Характерной особенностью радионуклидов является их способность накапливаться в живых организмах. Действительно, попадая в окружающую среду, радиоактивные изотопы рассеиваются, но затем включаются в пищевые цепи. При этом тот или иной радиоактивный изотоп может задерживаться в организмах вследствие близости его свойств и свойств биоэлемента, концентрирующегося в живых организмах. Из-за особенностей своих химических свойств радионуклиды могут накапливаться и в воде, почве, осадочных породах. Наибольшую опасность представляет собой накопление долгоживущих изотопов, таких как стронций-90 (90Sr) и цезий-137 (137Cs). Стронций – аналог кальция, цезий во многом подобен калию, радио48

активные элементы способны заменять свои аналоги в круговоротах. Находясь внутри организмов, соединения стронция и калия являются опасными внутренними излучателями. Мерой накопления радионуклида в живом организме служит коэффициент накопления – отношение равновесных концентраций радионуклида в организме и окружающей среде. В качестве примера приведем коэффициенты накопления стронция-90 в пищевой цепи пресноводного озера, в которое в течение длительного времени поступали радиоактивные отходы (табл. 3.4) [2]. Таблица 3.4. Коэффициенты накопления 90Sr в организмах Трофический Организмы Коэффициент уровень накопления* первый водные растения 300 второй мелкая рыба 1000 мягкие ткани моллюсков 750 третий кости бобра 1400 кости ондатры 3900 кости окуня 3000 * коэффициент накопления 90Sr в озерной воде принят за единицу.

С экологической точки зрения в почве различают: минеральную часть, органическую часть, почвенный воздух, водный раствор и почвенный мир микроорганизмов, растений и животных. Иными словами, почва состоит из исходного материала – подстилающей материнской породы и органического компонента, в котором организмы и продукты их жизнедеятельности перемешаны с тонко измельченным и измененным исходным материалом. К комплексу физических свойств почвы относят механический состав, относительную рыхлость структуры, водопроницаемость, аэрируемость, отсутствие света, малую амплитуду колебаний температуры, небольшой объем почвенного воздуха. Среди этих показателей важное значение имеет механический состав почвы – относительное содержание частиц разного размера (табл. 3.5). Таблица 3.5. Классификация частиц почвы по размеру Механические элементы Диаметр, мм камни >3 гравий 3–1 песок крупный 1 – 0.5 песок средний 0.5 – 0.25 песок мелкий 0.25 – 0.05 пыль крупная 0.05 – 0.01 пыль средняя 0.01 – 0.005 пыль мелкая 0.005 – 0.001 ил 0.001 – 0.0001 коллоиды < 0.0001

3.3.4. Эдафический фактор Почвенный покров представляет собой самостоятельную земную оболочку. Совокупность физических и химических свойств почвы, способных оказывать экологическое действие на живые организмы, называют эдафическим фактором (от «эдафос» (греч.) – почва). Если бы на Земле не было жизни, то она, возможно, имела бы воздух, воду и «почву», но и воздух, и вода и, в особенности, почва, радикально отличались бы от тех, что существуют сейчас. Почва – это не только внешний фактор среды для организмов, но и продукт их жизнедеятельности. Согласно В.И.Вернадскому, почва – это биокосное тело, состоящее одновременно из живых и косных (неорганических) тел – минералов, воды, воздуха, органических остатков. Кроме того, почву следует рассматривать и как среду обитания живых существ.

49

Кроме того, механический состав почвы определяется соотношением твердых частиц разных размеров. Классификация типов почв в зависимости от содержания песчаных (диаметр более 0.01 мм) и глинистых (диаметр менее 0.01 мм) частиц представлена в табл. 3.6 Уменьшение размера минеральных частиц ведет к увеличению водопоглотительной и водоудерживающей способности почвы. При этом одновременно ухудшается ее аэрируемость (проницаемость для воздуха). Раздробленность частиц способствует увеличению поверхности и емкости катионного обмена почвы. Это позволяет ей долго удерживать на поверхности растворы минеральных веществ, замедлять их вымывание и выщелачивание. 50

Таблица 3.6. Содержание глинистых частиц различного размера, мм в почвах различного типа

подзолистые 0–5 5–10 10–20 20–30 30–45 45–50 50–65 65–80 >80

Почвы степные 0–5 5–10 10–20 20–30 30–45 45–60 60–75 75–85 >85

Вид почвы солонцовые 0–5 5–10 10–15 15–20 20–30 30–40 40–50 50–65 >65

песчаная рыхлая песчаная супесь легкий суглинок средний суглинок тяжелый суглинок легкая глинистая средняя глинистая тяжелая глинистая

Механические элементы почвы склеиваются различными выделениями микроорганизмов и высших растений, пронизываются и скрепляются мелкими корнями, образуя агрегаты. Агрегаты различной величины, формы и прочности создают характерную структуру почвы. Наиболее структурированными почвами являются черноземы. Почва характеризуется температурным режимом. Поверхность почвы поглощает солнечные лучи и является зоной высоких перепадов температуры. В ночные часы разогретая поверхность излучает избыток тепла и заметно охлаждается, в то время как глубокие слои сохраняют более высокую температуру. Чем суше почва, тем на большей глубине можно зарегистрировать колебания температуры, связанные с суточным ритмом. Влажность почвы зависит от режима осадков, физических и химических свойств почвы. Различают следующие формы воды в почве: парообразную, химически связанную, физически связанную, капиллярную и гравитационную. Наиболее доступны для организмов две последние формы. Очевидно, что если дождевая вода стекает по поверхности грунта, а не впитывается, пользы от нее для растений не будет. Способность почвы впитывать поверхностную воду называют инфильтрацией. Вода, уходящая на глубину, которой не достигают корни растений, так же бесполезна, как и вода, не впитанная почвой. В период между дождями растения зависят от запаса воды, удерживаемого довольно тонким слоем почвы. Величина этого запаса называется водоудерживающей способностью почвы. Идеальной будет 51

почва с хорошей инфильтрацией, высоким водоудерживанием и растительным покровом, защищающим почвенную влагу от испарения. Наконец, почва содержит воздух, количество которого определяется структурой почвы и ее влажностью. Сухая почва содержит воздух во всех своих пустотах, а увлажненные или переувлажненные почвы воздуха почти не содержат. Чтобы расти и поглощать биогенные элементы, корням растений необходима энергия, получаемая при окислении глюкозы за счет клеточного дыхания. При этом потребляется кислород и выделяется углекислый газ. С глубиной содержание кислорода в почве уменьшается, а содержание углекислого газа растет. В почвенном воздухе объемная доля углекислоты может достигать 10 %. Корни растений должны быть способны поглощать из окружающей почвы кислород и выделять в нее углекислый газ, так как лишь немногие растения могут транспортировать эти газы между своими органами. Свойство почвы обеспечивать диффузию кислорода из атмосферы в почву и диффузию углекислого газа из почвы в атмосферу называют аэрацией. Аэрации препятствуют уплотнение почвы и насыщение ее водой. Среди химических характеристик почвы важное место принадлежит содержанию и удерживанию минеральных элементов. Растениям необходимы такие питательные компоненты (биогены), как нитраты, фосфаты, ионы калия и кальция. За исключением соединений азота, которые образуются из атмосферного азота при круговороте этого элемента, все минеральные биогены изначально входят в состав горных пород. Однако, пока биогены закреплены в горных породах, для растений они недоступны. При разрушении горных пород биогены переходят или в водорастворимую, или в менее связанную формы. О роли биогенных элементов можно судить по опыту выращивания растений в отсутствие почвы (гидропоника). В гидропонных системах растения укореняют в слое гравия или песка, который орошают раствором, содержащим питательные компоненты. Корни растений имеют доступ к воде, питательным элементам и хорошо аэрируются. Выращиваемые методом гидропоники растения ничем не отличаются от растений, произрастающих в обычных условиях. Таким образом, можно считать доказанным, что никаких «особых» компонентов почвы для растений не требуется. Другое дело, что цена продуктов питания, полученных при использовании гидропонных систем, очень высока. Разберемся, в чем же состоит роль почвы. 52

Ионы биогенов доступны растениям, если находятся в водорастворимой форме. Но при этом они могут легко вымываться водой, просачивающейся через почву (выщелачиваться). Выщелачивание не только уменьшает плодородие почвы, но и ведет к загрязнению воды. Роль почвы состоит в удерживании ионов биогенов в состоянии, когда они способны поглощаться корнями растений, но не выщелачиваются. Удерживание происходит, в основном, за счет ионного обмена и комплексообразования. Огромное количество комплексообразующих веществ поступает в почвы как продукт метаболизма живых организмов и как продукты биохимической деструкции остатков растительных и животных тканей, плазмы микроорганизмов, продукты бактериального синтеза и др. В результате этих процессов образуется гумус – продукт разложения растительных, микробных и животных остатков под влиянием деятельности микроорганизмов. Ежегодно на суше и на море при фотосинтезе продуцируется огромное количество живого вещества. Чистая продукция наземной биоты оценивается в 63 млрд. т органического вещества в год, и около 80 % этого количества ежегодно отмирает. Под влиянием микроорганизмов 50–75 % отмершей биоты минерализуется, а 50–25 % превращается в гумус. В среднем за год на 1 км2 поверхности суши поступает 33–168 т гумусовых веществ. На 85–90 % гумусовое вещество представлено гуминовыми и фульвокислотами – высокомолекулярными полидисперсными полиоксиполикарбоновыми кислотами. Более растворимые в воде фульвокислоты с поверхностным стоком попадают в реки, а затем в моря и океаны, перенося с собой в виде комплексов ионы, в том числе и биогены, а менее растворимые гуминовые кислоты остаются в почве, обеспечивая удерживание в ней ионов. Минеральные частицы почвы (в первую очередь глинистые минералы) также содержат ионогенные группы, способные отщеплять или присоединять катионы и анионы. При ионообменном удерживание катионов (скажем, калия) происходит химическая реакция Q− + X + + K + = Q− + K + + X + ,

(3.18)

где Q − – анион вещества, входящего в состав почвы, X + , K + – катионы, удерживаемые в почве, чертой над формулой обозначены реагенты, находящиеся в фазе почвы, без черты записаны формулы частиц, присутствующих в водном растворе. Очевидно, что если ионы 53

калия находятся в почве в виде K + , то действие чистой (не содержащей ионов) воды на почву не приведет к его выщелачиванию. Количественная характеристика способности удерживать ионы почвой – ионообменная емкость, измеряемая в ммоль эквивалентов/г. При комплексообразовании биогены удерживаются еще прочнее, чем при ионном обмене. Если почва используется для выращивания сельскохозяйственных растений, при сборе урожая неизбежно происходит удаление биогенов. Их запас следует регулярно пополнять, внося удобрения. Минеральные удобрения представляют собой смеси минеральных биогенов. Даже при внесении биогенов с удобрениями способность почвы их удерживать сохраняет решающее значение. Во-первых, выщелачивание удобрений наносит экономический ущерб. Во-вторых, – и это еще важнее – растворенные биогены попадают в водные экосистемы, загрязняя и разрушая их. Гумус обладает феноменальной, в сто раз большей, чем глинистые минералы способностью удерживать воду и биогенные элементы. Его присутствие в почве способствует ее структурированию (склеиванию частиц пыли, песка и т.п.) в более крупные агрегаты. Чем выше содержание гумуса, тем больше ее питательность, аэрация, инфильтрация и водоудерживание. Обогащенный гумусом слой почвы называют пахотным слоем, а слой, лежащий под ним, – подпочвой. Если удалить верхний пахотный слой, то урожайность почвы снижается в 6–7 раз. Это чрезвычайно важный вывод, поскольку гумусовые кислоты – довольно реакционноспособные вещества. В естественных условиях за год в зависимости от условий подвергается деструкции 20–50 % гумуса, содержащегося в почве. Без периодического поступления в почву органического вещества гумус постепенно разрушится. При этом почвенная структура и все свойства почвы, от нее зависящие, будут потеряны, останется только минеральная сыпучая часть почвы – песок, глина, пыль. Важной химической характеристикой почвы является ее кислотность (рН). В естественных условиях обитания организмов наблюдаются величины рН, близкие к семи. Эти условия представляют собой зону оптимума для большинства растений и животных. Особенностью почвы является способность поддерживать постоянство рН даже при внесении в экосистему почвы избытка кислоты. В отсутствие загрязнений дождевая вода с растворенным в ней углекислым газом обладает слабокислой реакцией (рН 5.6). Кислотными 54

считают осадки с рН 5.5 и ниже. Над Европой и Северной Америкой рН дождя и снега обычно составляет около 4.5. В отдельных случаях наблюдаются и гораздо меньшие величины. Так, туман в районе ЛосАнджелеса часто имеет рН 2.5–3, в Японии фиксировали рН тумана 1.8. В общем, на значительных территориях осадки, как правило, в 10–1000 раз кислее нормальных. На почву кислотные осадки действуют несколькими путями. На начальном этапе их действие сводится к выщелачиванию биогенов. Ионы металлов удерживаются в почве отрицательно заряженными частицами гумуса. При взаимодействии гуматов (солей слабых кислот) с раствором сильной кислоты происходит образование гумусовых кислот и выделение в раствор ионов металлов. Например, выщелачивание ионов калия описывает реакция Q − + K + + H + = QH + K + .

(3.19)

При этом рН почвенной воды меняется мало. Говорят, что почва обладает буферными свойствами. Когда в систему, содержащую буфер, добавляют кислоту или щелочь, рН среды меняется незначительно. Однако возможности любого буфера ограничены его буферной емкостью. Для почвы буферная емкость определяется наличием карбонатов, силикатов, солевых форм гумусовых кислот, способных связывать ионы водорода. Когда буферная емкость исчерпана, даже незначительные добавки кислоты влекут за собой скачкообразное понижение рН (рис. 3.7). Величина рН выходит за пределы толерантности для большинства видов организмов, экосистема гибнет. Для нормальной жизнедеятельности клетки организма должны содержать определенное количество воды. Однако сами клетки не способны активно закачивать или выкачивать воду. Проникновение воды через клеточную мембрану происходит в результате осмоса. Представим два солевых раствора, разъединенные полупроницаемой мембраной: через мембрану свободно проходит растворитель, а для ионов мембрана непроницаема. Если концентрация солей в растворах по разные стороны мембраны отличается, вода будет переходить из более разбавленного в более концентрированный раствор. Организмы контролируют водный баланс, регулируя концентрацию соли внутри клеток, а вода поступает внутрь клетки и наружу в результате осмоса. Если концентрация соли вне клетки слишком высока, клетка 55

не сможет поглощать воду и, более того, будет терять ее. В конечном итоге организм обезвоживается и гибнет. Из-за отличий в приспособлениях к разным солесодержаниям пресноводные организмы не могут жить в морской воде, а морские виды гибнут в пресной. Большинство наземных растений может существовать лишь при наличии пресной воды. При засолении почвы жизнедеятельность организмов угнетается, а сильно засоленные почвы представляют собой безжизненные пустыни. Между почвой и растущими на ней растениями существует взаимозависимость, система обратных связей. О значении почвы для растений мы уже сказали выше. Растения обеспечивают пищей экосистему почвы и защищают ее от эрозии. Как и любые связи в экологии, связь между растениями и почвой представляет собой динамическое равновесие. Стоит ему нарушиться, последствия могут стать необратимыми. Так, уменьшение плодородия почвы снижает продуктивность растений, что уменьшает содержание гумуса в почве. С обеднением почвы гумусом ухудшаются ее аэрация и инфильтрация. Эти последствия ведут к дальнейшей деградации почвы, дальнейшему снижению продуктивности растений и т.д. Вряд ли стоит подробно объяснять, что деградация почв – следствие человеческой деятельности; ежегодно около 100 тыс. км2 становятся бесплодными, потери почвы превышают 26 млрд. т / год. Самое разрушительное действие на почву оказывает эрозия, т.е. вынос водой или ветром частиц почвы. Важнейшими причинами эрозии и опустынивания являются выпахивание, перевыпас скота, сведение лесов, засоление почв как результат орошения. С эрозией человечество столкнулось давно. На рубеже нашей эры обеспечение римлян продовольствием зависело от производства зерна на плодородных землях Северной Африки. Но эрозия превратила плодородную пашню в песчаную пустыню. Римляне, допустившие развитие этого процесса, жестоко поплатились за бесхозяйственность – с потерей плодородия землями Северной Африки пришло к закату и могущество Римской империи. К сожалению, уроки истории плохо усваиваются человечеством. Дорогостоящие и длительные мероприятия по охране почв и восстановлению их плодородия не могут пока остановить глобальный процесс уничтожения плодородия почв. 56

популяция занимает всю ее территорию, то есть границы популяции совпадают с границами экосистемы. Для целей экологии нет необходимости подробно и детально описывать каждую популяцию; часто различиями между особями можно пренебречь и принять, что все они характеризуются одинаковыми средними показателями (размер, биомасса, возраст и т.п.). Такое представление популяции соответствует уровню полного внутрипопуляционного агрегирования. Используют и более тонкие уровни, позволяющие выделить неоднородность популяции по каким-либо признакам (на практике широко применяют уровни агрегирования, учитывающие неоднородность популяций по возрасту и полу особей).

буфер истощен

7

pH 6

5

4

3.4.2. Экспоненциальная и логистическая модели роста

3

добавка сильной кислоты Рис. 3.7. Истощение буфера.

3.4. Характеристика важнейших биотических факторов 3.4.1. Понятие популяции Живое население (биота) экологической системы – это множество особей всех обитающих в этой системе растений, животных и микроорганизмов. При изучении экосистем каждую особь индивидуально не изучают – при огромном числе живых организмов, особенно малых и микроскопических это попросту лишено смысла. Отдельные организмы объединяются в группы. Наиболее естественным представляется объединение в группы особей, принадлежащих к одному биологическому виду. Популяцией называют устойчивую совокупность особей, которые в течение продолжительного времени населяют определенную территорию, свободно скрещиваются друг с другом и изолированы от других таких же совокупностей. Признаки «устойчивости» и «свободного скрещивания» меняются в зависимости от природы того или иного вида. Обитающая в данной экосистеме 57

Рассмотрим описание популяции на уровне полного внутрипопуляционного агрегирования. Это описание состоит в воспроизведении динамики ее численности под воздействием других экологических факторов. Изменение плотности некоей популяции xj (численности особей на единицу площади экосистемы) происходит в результате следующих процессов: размножения, гибели, эмиграции и иммиграции. На каждый из этих процессов влияют как сама плотность xj, так и другие биогенные и абиогенные экологические факторы: d xj /d t = Bj - Dj + Ij - Ej

(3.20)

где Bj – скорость размножения особей j-й популяции (от англ. birth – рождение), Dj – скорость гибели (от death – смерть), Ij – скорость иммиграции (от immigration), Ej – скорость эмиграции (от emigration). Скорости B, D, I и Е имеют одинаковую размерность: особь⋅площадь-1⋅время-1 и, в общем случае, зависят от всех экологических факторов. Записав выражения типа (3.20) для всех популяций экосистемы и задав их начальные плотности xj0, мы должны решить полученную систему дифференциальных уравнений. В большинстве практических случаев зависимость скоростей B, D, I, и E от экологических факторов неизвестна, но даже в тех случаях, когда можно явно записать выражения для них, решение полученной системы уравнений представляет огромные вычислительные трудности. Вместе с тем, можно провести качественный анализ возможных решений. Рассмотрим относительно изолированные экосистемы, для которых скоростями иммиграции и эмиграции можно пренебречь. Используя 58

концепцию полного внутрипопуляционного агрегирования, скорости размножения и гибели представим в виде произведения плотности популяции и удельных скоростей: B j = b j ⋅x j, D j = d j⋅x j

(3.21)

где bj и dj – соответственно удельные скорости размножения и гибели, 1/время. Коэффициенты bj и dj называют функциями размножения и смертности. Эти функции можно представить как линейную комбинацию двух частей – зависящей от плотности популяции xj и не зависящей от нее. Например, возможен следующий вид функций размножения и смертности: bj = bj0 + bj1⋅ xj, dj = dj0 = const.

(3.23)

Подобно функциям размножения и смертности, rj можно разложить на две компоненты – зависящую от плотности популяции и независящую: 0

1

rj = rj + rj ,

(3.24)

где коэффициент rj0 – функция экологических факторов, исключая плотность популяции xj, а коэффициент rj1 зависит от всех факторов (этот коэффициент обычно отрицателен, что отражает снижение прироста популяции с увеличением ее плотности). Уравнение (3.23) запишем теперь в виде: d xj /d t = rj0⋅xj + rj1⋅xj.

(3.25)

На начальном этапе роста популяции вкладом второго слагаемого в правой части уравнения (3.25) можно пренебречь. В этом случае рост популяции описывает линейное дифференциальное уравнение d xj /d t = rj0⋅xj,

(3.26)

для которого легко получить аналитическое решение xj(t) = xj(t0) ⋅ exp

t

∫t

r j0 ( τ) dτ .

ln rjмакс = -8 - 4.5⋅ln m,

(3.22)

Разность коэффициентов bj и dj называют удельной скоростью изменения популяции, rj = bj - dj. С учетом использованных предположений и введенных обозначений уравнение (3.20) принимает вид: d xj /d t = rj⋅xj.

Не следует забывать, что rj0 остается функцией многих экологических переменных, которые сами изменяются со временем. На практике обычно используют частные функции (rj0)*, описывающие зависимость rj0 от небольшого числа экологических переменных (одной – двух) при фиксированных значениях остальных. Существует оптимальная комбинация экологических факторов, при которых rj0 достигает максимального значения rjмакс. Эта величина, называемая биотическим потенциалом популяции, является ее важнейшей характеристикой. Интересно отметить, что биотический потенциал экспоненциально падает с ростом массы особей; с высоким коэффициентом корреляции соблюдается соотношение

(3.27)

0

59

(3.28)

где m – масса особей, г, rjмакс измеряется в 1/сутки. Например, для вирусов rjмакс = 102.5 1/сут (масса вирусов при благоприятных условиях увеличивается за сутки в 700 раз), а для крупных млекопитающих (слоны, киты) rjмакс = 10-2.9. Подставив в (3.27) вместо rj0 биотический потенциал популяции, получаем уравнение xj(t) = xj(t0) ⋅ exp{rjмакс⋅(t-t0)}.

(3.29)

Это уравнение представляет собой экспоненциальную модель роста популяции. Анализируя исходные предпосылки модели, легко представить, что с наибольшим успехом она должна описывать новую, быстро растущую популяцию. Существуют эмпирические доказательства справедливости предположения о сфере применимости этой модели. Так, она блестяще описала динамику численности зубров в Беловежской пуще после строгого запрета их истребления, рост численности оленей на Кольском полуострове после создания там заповедника или рост поголовья коз в первые сезоны после их завоза на о. Св. Елены. Экспоненциальная модель удовлетворительно воспроизводит и рост человеческой популяции, начиная с середины XVIII в. и до наших дней. Но рано или поздно рост любой популяции прекращается. В некоторый момент величины rj становятся меньше биотического потенциала rjмакс. Снижение rj – следствие отклонения экологических факторов от оптимальных значений или же результат растущего влияния слагаемого rj1⋅xj в формуле (3.25), которое зависит от плотности популяции и обычно имеет отрицательное значение. Можно принять модель, согласно которой в условиях малой плотности и хорошей обеспеченности ресурсами популяция раскрывает свой потен60

циал, увеличивая численность в геометрической прогрессии. С увеличением плотности растет действие факторов, тормозящих рост популяции. Наступает момент, когда рост популяции прекращается (rj = 0), и ее плотность сохраняется на постоянном уровне, характерном для данной экосистемы. Такую величину плотности называют емкостью среды. Можно предложить множество математических выражений, описывающих изложенную схему. Самой простой и наиболее известной является логистическая модель роста (П.Ферхюльст, 1838). В этой модели принимают, что рождаемость в популяции постоянная, а смертность линейно растет с ростом плотности: bj = bj0, dj = dj0 +dj1⋅xj.

(3.30)

Тогда скорость изменения популяции r j = b j 0 - d j 0 - d j1 ⋅x j,

(3.31)

максимальная скорость rjмакс = bj0 - dj0.

(3.32)

Обозначив Kj = rjмакс / dj1, уравнение (3.31), перезапишем в виде: rj = rjмакс ⋅ (1 - xj/Kj)

(3.33)

данной популяции. Графики, наглядно представляющие экспоненциальную и логистическую модели роста, приведены на рис 3.8. Логистическая модель содержит три подгоночных параметра – xj0, Kj и rjмакс. На рис. 3.9, 3.10 показано, как меняется зависимость плотности популяции при изменении xj0, Kj и rjмакс.

3.4.3. Возрастной состав популяций Метод полного внутрипопуляционного агрегирования не позволяет описывать внутреннюю структуру популяций, пренебрегая, например, различием между особями разного возраста. Между тем, в разном возрасте организмы по-разному чувствительны к воздействию экологических факторов, да и функции в экосистеме выполняют разные. Более глубокое понимание экологии популяций требует учитывать их неоднородность по возрастному и половому составу. Полезной характеристикой служит распределение организмов по интервалам возрастов. Для того чтобы найти такое распределение, весь возможный интервал возрастов [0, tmax] разбивают на N отрезков равной длины и распределяют особей по полученным N возрастным группам. Доля особей, попавших в i-й интервал, pi, от их общего числа и дает оценку искомого распределения.

xj

и вернемся к уравнению (3.23) в форме d xj / d t = rjмакс ⋅ xj ⋅(1 - xj/Kj).

(3.34)

Экспоненциальная модель роста

10

Это уравнение допускает аналитическое решение. Его можно записать в виде Kj

xj(t) = 1+

K j − x 0j x 0j

⋅e

− r jмакс ( t − t 0 )

,

61

Kj=10, xj0=0.1; r=0.6

xj0=0.1, r = 0.6

(3.35)

где xj0 – плотность популяции в момент времени t0. Легко убедиться, что в пределе Kj/xj0 → ∝ (т.е. при малой начальной плотности популяции), формула (3.35) переходит в выражение (3.29), описывающее экспоненциальную модель роста; с ростом t второе слагаемое в знаменателе формулы (3.35) асимптотически стремится к плотность xj → Kj. Отсюда следует, что нулю, т.е. при t → ∝ коэффициент Kj – не что иное, как емкость среды по отношению к

Логистическая модель роста

5

0

0

5

10

15

20

t Рис. 3.8. Сравнение динамики популяций при экспоненциальной и логистической моделях роста.

62

Примеры различных функций распределения особей по возрастам приведены на рис. 3.11 (а – в). Рис. 3.11 а относится к растущим популяциям (с преобладанием молодых возрастов), рис. 3.11 б – к стационарным популяциям, численность которых не меняется, рис. 3.11 в описывает распределение особей в вымирающей популяции.∗

xj = f(Kj, t) при r = 0.6 xj

12 10

Kj = 10, xj0 = 1

8

Более полно, чем функция распределения pi, возрастной состав популяции и его связь с численностью учитывает подход А.Лотки [3]. Лотка ввел функцию выживаемости ρi, которая показывает долю новорожденных, доживших до i-го возрастного интервала. Функцию ρi удобно вычислять рекурсивно. Для этого требуется знать коэффициенты смертности для i-го интервала di. Для первого возрастного интервала

Kj = 10, xj0 = 0.1

6

Kj = 5, xj0 = 0.1

4 2 0

0

5

10

15

Рис. 3.9. Влияние емкости среды и начальной плотности популяции на динамику численности.

xj = f(r, t) при Kj = 10, xj0 = 0.1

(3.37)

li =l1⋅(1-di)×… ×(1-di-1) =

i −1

∏ (1 − d i ) .

(3.38)

i =1

r = 0.6 5

Графики характерных функций выживаемости приведены на рис. 3.12. Относительный возраст на графиках указан в логарифмических единицах. Как показывают наблюдения, функция выживаемости, показанная кривой 1, наблюдается у некоторых млекопитающих (киты, слоны) и у людей, населяющих процветающие страны; зависимость, соответствующая кривой 2, характерна для большинства млекопитающих; а кривая 3 характеризует высокопродуктивные виды с высокой смертностью потомства в ранних возрастах (многие растения, рыбы, беспозвоночные).

r = 0.4 r = 0.2 0

l2 =l1⋅(1-d1), для любого i-го интервала

10

0

(3.36)

для второго

t

xj

l1 =1,

20

5

10

15

20

25

t Рис. 3.10. Влияние биотического потенциала популяции на динамику ее численности.

∗

63

Заметим, что рис. 3.11 в отображает существующее ныне распределение по возрастам населения Украины. 64

а

30

pi, %

1

1,0

25

0,8

20 15

2

0,6

10

li

5 0

ti

pi, % 15

3

0,2 0,0

б

20

0,4

0

20

40

60

80

100

ti

10

Рис. 3.12. Основные типы функций выживаемости. 1 – высокая смертность в конце жизни, 2 – высокая смертность в начале и в конце жизни, 3 – большая смертность в начале жизни.

5 0

ti

3.4.4. Демографические проблемы 3.4.4.1. Демографический взрыв

30

Проведенное обсуждение позволит подробнее охарактеризовать самую интересную для нас популяцию – популяцию человека. Последние 150 лет население земли росло и продолжает расти взрывообразно, в соответствии с экспоненциальной моделью: в логарифмической шкале численность населения Земли (Р, млрд. чел) линейно растет со временем (рис. 3.13). В 1999 г. население Земли достигнет 6 млрд. чел, а к 2050 г., согласно прогнозу специалистов ООН, – 9 млрд. чел.

25 20

pi, %15 10 5 0

ti

Рис. 3.11. Возрастное распределение особей в популяциях различного типа. 65

66

0,8 0,6

lg P lg P = -8,3 + 0,045 * (x - 1800) r = 0,97

0,4 0,2 0,0 1800

1850

1900

1950

2000

Годы Рис. 3.13. Население Земли (Р, млрд. чел) Ключевой фактор, определяющий прирост населения, – суммарный коэффициент рождаемости (СКР) – среднее число детей, которое рождает каждая женщина в течение жизни. Учитывая детскую смертность, для простого воспроизводства населения СКР должен быть 2.03 для развитых стран и 2.20 для развивающихся государств с высокой детской смертностью. В развитых странах (США, государства Европы, Япония, Австралия, Канада и т.п.) СКР составляет 1.9, и, хотя численность их населения все еще растет, в недалеком будущем она стабилизируется или даже несколько сократится. В развивающихся странах СКР составляет 4.1 (4.8 без учета КНР). Такая величина СКР соответствует удвоению населения в каждом следующем поколении. Предпринимаемые в мире усилия привели в последние 20–25 лет к тому, что наметилась тенденция к снижению СКР. Если эта тенденция сохранится, то к 2030 г. развивающиеся страны приблизятся к уровню воспроизводящей рождаемости. Демографический взрыв влечет за собой не только острые социальные проблемы. Быстро растущее население развивающихся стран оказывает негативное воздействие на окружающую среду, сводя леса на дрова, истощая почву, уничтожая островки дикой природы. Экологические последствия демографического взрыва чреваты глобальной экологической катастрофой. Впрочем, согласно открытым экологами законам, рано или поздно экспоненциальный рост популяции прекращается (например, такое развитие динамики популяции предсказывает логистическая модель). Для человечества важно, как произойдет это торможение роста – вследствие эпидемий неви67

данных заболеваний, массового голода, кровопролитных войн либо как результат хорошо спланированной, разумной, приемлемой для всех стран демографической политики мирового сообщества. Уместно заметить, что демографические проблемы на Украине заметно отличаются от глобальных. В Украине сложилась неблагоприятная демографическая ситуация – снижение рождаемости, высокая общая и детская смертность, резкое снижение естественного прироста населения и средней продолжительности жизни. Все это относится и к демографической обстановке в Харьковской области и г. Харькове. Среднегодовые темпы прироста населения области в течение 1959–1996 г.г. систематически снижались. В 1959–1969 г.г. они составляли 1.1 %, в 1970–1978 г.г. – 0.9 %, в 1979–1989 г.г. – 0.4 %. В 1990–1996 г.г. этот прирост стал отрицательным – -0.8 % (соответственно в Харькове 2.3, 1.9, 1.1 и -0.9 %). В 1996 г. убыль населения области составила 25.3 тыс. человек. В Харьковской области суммарный коэффициент рождаемости намного ниже уровня, необходимого для простого воспроизводства населения – 1.1. Уровень рождаемости (на 1000 чел.) в 1996 г. составил 7.6 человек, а уровень смертности – 16.0. Постоянно растет количество лиц пенсионного возраста (30.4 % в сельской местности, 21.1 % в городах), доля трудовых ресурсов в населении Харьковской области сократилась с 74 % в 1985 г. до 57 % в 1996 г. Средняя продолжительность жизни в области снизилась до 66 лет (60 лет мужчины, 72 года женщины) (для сравнения: в Японии этот показатель 79 лет). Улучшение демографической ситуации на Украине требует преодоления экономического кризиса, улучшения медицинского обслуживания и социального самочувствия населения, оздоровления окружающей среды, проведения разумной государственной демографической политики. 3.4.4.2. Проблема продовольственных ресурсов В мире есть царь, Этот царь беспощаден. Голод названье ему. Н.А.Некрасов Причина демографического взрыва состоит в том, что никогда ранее в своей истории человеческая популяция не имела столь благоприятных условий для своего роста: в глобальном масштабе побеждены инфекционные заболевания, вызывавшие смертность в челове68

ческой популяции, и во многих странах качество жизни (обилие и качество продуктов питания, доступность услуг здравоохранения, развитая система социального обеспечения) достигло уровня, обеспечивающего высокую продолжительность жизни. Главная причина, конечно, связана с резко выросшей продуктивностью сельского хозяйства – мировое производство важнейших продуктов питания не отстает или отстает незначительно от роста населения. Так, с 1950 г. по 1984 г. производство зерна выросло с 625 млн. т до 1645 млн. т (в 2.4 раза), опередив увеличение народонаселения на 40 %. Правда, это продовольствие распределено неравномерно: большая часть его производится и потребляется в развитых странах с интенсивным сельским хозяйством, где прирост населения колеблется около нулевой отметки, а население стран Африки и Азии все больше страдает от нехватки продуктов питания в условиях продолжающегося демографического взрыва. Увеличение производительности труда в сельском хозяйстве в ХХ ст. (рис. 3.14) было обусловлено действием следующих факторов: • механизация труда; • рост использования удобрений ; • развитие орошения; • рост применения пестицидов; • внедрение в сельское хозяйство новых высокоурожайных сортов растений; • освоение новых пахотных земель.

Производительность труда

9 8 7 6 5 4 3 2 1 1900

1920

1940

1960

1980

2000

Годы

Рис. 3.14. Рост производительности труда в сельском хозяйстве в экономически развитых странах. 69

Эти резервы увеличения производства сельскохозяйственной п*родукции во многом исчерпаны, а такие меры, как применение пестицидов, стимуляторов роста и т.п., орошение, распашка почвы, перенасыщение почвы и водоемов удобрениями уже принесли тяжелые экологические последствия. Так, рост площади пахотных земель продолжался до начала 80-х годов (за тридцать лет прирост составил около 25 %), затем прекратился, а с середины 80-х годов изза истощения или эрозии почвы площадь пахотных земель стала снижаться; эта тенденция, вероятно, сохранится и в ближайшие десятилетия. За двадцать пять лет площадь орошаемых или осушаемых земель выросла в мире почти втрое, усилия по ирригации все еще наращиваются, но прироста площади орошаемых земель не происходит. Во-первых, ресурсы поглощает борьба с последствиями орошения – заболачиванием и засолением почв, а, во-вторых, запасы грунтовых вод, пригодные для орошения почти исчерпаны. Пожалуй, наиболее действенным средством повышения урожайности сельскохозяйственных культур считают внесение в почву удобрений. За 1950–1984 г.г. их применение выросло в девять раз! В начале этого периода каждая тонна удобрений приносила прибавку урожая в пятнадцать тонн зерна. Однако, по мере того как содержание биогенов – питательных компонентов, приближалось к оптимуму, эффективность внесения в почву удобрений снижалась. Кроме того, при высокой концентрации в почве питательных компонентов повышается чувствительность растений к болезням и вредителям, а вымываемые из почвы удобрения сильно загрязняют реки и водоемы. Химические средства защиты растений, использование высокоурожайных сортов и другие подобные факторы также практически исчерпали свои возможности увеличить продуктивность сельского хозяйства. Замены перечисленным выше способам повышения урожайности пока не найдено. Это было бы не опасно, если бы продовольственные ресурсы справедливо распределялись. Однако экономически развитые государства установили в мире такой порядок, когда им достается намного больше продовольствия, чем это следует из совокупной оценки их вклада (начиная с производства энергии и заканчивая затратами труда) в мировое производство продуктов питания. При этом, если обратиться к терминологии пищевых цепей и пирамид, 70

«богатые нации» оказываются на высоком трофическом уровне, потребляя, главным образом, белки и жиры животного происхождения (и теряя при этом 90 % энергии, первоначально накопленной в зерне). Подсчитано, что, если бы люди в богатых странах сократили или прекратили потребление мяса, это обеспечило бы продовольствием 2–3 млрд. чел. Проблема голода в мире, от которого в той или иной мере страдает половина населения Земли, – это не столько результат неспособности человечества производить необходимое количество продуктов питания, сколько следствие рыночных отношений, регулирующих производство и распределение продуктов питания в мировом масштабе. Может ли помочь решению глобальной продовольственной проблемы простое перераспределение продуктов питания между «богатыми» и «бедными» странами? Очевидно, нет. Имеется многолетний опыт продовольственной помощи стран Запада государствам «третьего мира» и продажи им излишков продовольствия по низким ценам. Снабжение из-за границы не просто ставит государство в зависимость от внешних источников продовольствия, но и подрывает его экономику: становится невыгодно развивать производство, при этом производители сельскохозяйственной продукции разоряются, страдают и производители удобрений, сельскохозяйственной техники и т.п. В конце концов рушится вся местная экономика. В многочисленных выступлениях членов нашего парламента отмечается, что в такую ловушку из-за недальновидной политики в области сельского хозяйства попала и Украина. Так, в газете «Время» за 28.02.98 г. сообщалось, что мясоперарабатывающим комбинатам Харьковской области выгоднее закупать сырье в Польше и Нидерландах, чем у местных производителей. Последние неизбежно разоряются. В конечном итоге, дефицит продуктов питания растет, а уровень жизни населения падает. Проблема усугубляется деградацией окружающей среды: лишенные средств производители сельскохозяйственной продукции вынуждены отказаться от почвосберегающих мероприятий. Таким образом, решение продовольственной проблемы лежит на пути устойчивого развития сельского хозяйства в разных странах мира и предотвращения перенаселения нашей планеты. Есть все основания надеяться, что Украина займет достойное место в решении глобальной продовольственной проблемы. 71

3.5. Взаимоотношения видов в экологических системах Важную информацию об экологических системах можно получить, рассматривая взаимодействие их внутренних биотических факторов при постоянстве внешних и внутренних абиотических факторов. При этом достаточно популяции рассматривать на уровне полного внутрипопуляционного агрегирования. Научную основу взаимоотношений между видами заложил Ч.Дарвин, продемонстрировавший многообразие и богатство связей между видами, борющихся за существование в одной и той же среде. Для классификации отношений между видами используется следующая система обозначений: паре видов ставится в соответствие комбинация двух символов, каждый из которых может быть «+», «–» или «0». Знак «+» отражает положительное влияние численности одного вида на скорость роста другого, «–» – отрицательное влияние, «0» – отсутствие влияния. Классификация типов взаимоотношений приведена в табл. 3.7. Таблица 3.7. Межвидовые биотические отношения Влияние Тип взаимоотношений Вид 1 на вид 2 Вид 2 на вид 1 0 0 нейтрализм – 0 аменсализм + 0 комменсализм – – конкуренция + – жертва – эксплуататор + + мутуализм Рассмотрим некоторые типы взаимоотношений. Аменсализм – односторонне отрицательное воздействие – известен для растений, животных, микроорганизмов. Чаще всего причина аменсализма – выделение организмами веществ, вредных для других видов. Для химика небезынтересно узнать, что пример аменсализма привел римский историк и естествоиспытатель Плиний Старший (I в. до н.э.), описавший растение рода орех, «отравляющее все, на что падает его тень». В листьях, корнях и скорлупе этого ореха содержится 5-гидрокси-1.4-нафтохинон (юглон), подавляющий развитие большинства растений. Другой пример аменсализма связан 72

с продуцированием некоторыми организмами антибиотиков, негативно влияющих на другие микроорганизмы. Комменсализм встречается преимущественно среди животных. «Вид-комменсал» испытывает благотворное влияние «вида-хозяина» в формах, называемых нахлебничеством (отношения тигра Шер-Хана и шакала Табаки в сказке Р.Киплинга «Маугли») или квартирантством (когда, например, комменсал живет на наружных покровах хозяина). Мутуализм, в частности, включает симбиоз. С химикоэкологической точки зрения важнейшим примером мутуализма служит симбиоз бобовых растений и микроорганизмов, осуществляющих биологическую фиксацию атмосферного азота. Растения снабжают бактерий углеводами, используемыми для ферментативного восстановления молекулярного азота; переводимый в растворимые формы азот легко усваивается растениями. Исследованию комменсализма и мутуализма посвятил немало трудов известный русский революционер и географ кн. П.А.Кропоткин, социальные представления которого заставляли искать и в живой природе не дарвиновскую борьбу всех со всеми («борьбу за существование»), а находить примеры сотрудничества и помощи. Аменсализм, комменсализм и мутуализм легко исследовать математически на основе логистической модели роста популяции. Напомним, что дифференциальное уравнение модели мы записывали в виде d xj / d t = rjмакс ⋅ xj ⋅(1 - xj/Kj).

(3.34)

Для системы двух видов имеем: d x1 / d t = r1 ⋅ x1 ⋅(1 - x1/K1),

(3.39)

d x2 / d t = r2⋅ x2 ⋅(1 - x2/K2).

(3.40)

Предположим, что увеличение численности вида 1 влияет на скорость роста вида 2. В простейшем случае это влияние можно передать линейной функцией емкости среды для вида 2 от плотности популяции вида 1: K2(x1) = K2 + α21⋅x1.

(3.41)

Если коэффициент α21 положителен, уравнение (3.41) представляет собой модель комменсализма, если отрицателен – аменсализма. В случае мутуализма, помимо уравнения (3.41), записывают и выражение 73

K1(x2) = K1 + α12⋅x2,

(3.42)

учитывающее влияние вида 2. На рис. 3.15 а, б приведены возможные динамики численности видов, отвечающие моделям аменсализма (а – α12=0, α21<0, |α21| < K2/K1; б – α12=0, α21<0, |α21| > K2/K1), комменсализма (а – α12=0, α21>0) и мутуализма (а – α12>0, α21>0). Конкуренцией называют любое взаимное негативное взаимодействие между видами. Математическое описание конкуренции основано на уравнениях, близких к тем, которые использованы ранее для моделей аменсализма, комменсализма и мутуализма (см. формулы (3.39), (3.40)): d x1 / d t = r1 ⋅ x1 ⋅(1 - x1/K1 - α12x2/K1),

(3.43)

d x2 / d t = r2⋅ x2 ⋅(1 - x2/K2 - α21x1/K2),

(3.44)

где Кi – емкость среды по отношению к i-му виду в отсутствие конкуренции, коэффициенты α12, α21 – характеристики взаимного влияния видов. Хотя система уравнений (3.43), (3.44) аналитического решения не имеет, качественные особенности решений установить довольно легко, проведя графический анализ [3]. Его результаты следующие: в зависимости от емкостей среды и коэффициентов взаимного влияния конкуренция может происходить по трем сценариям. Сценарий А: при α12 > K1 / K2 и α21 < K2 / K1 побеждает первый вид (рис. 3.16); сценарий Б: α12 < K1 / K2 и α21 < K2 / K1 наступает устойчивое равновесие (рис. 3.17); сценарий В: при α12 > K1 / K2 и α21 > K2 / K1 исход конкуренции зависит от начального соотношения численностей видов – один из видов может победить (рис. 3.16), а может установиться устойчивое равновесие (рис. 3.17). Следует отметить, что ни при каких значениях параметров модели (K1, K2, α12, α21) в системе не возникают колебательные режимы. К такому же выводу приводят и более сложные модели, учитывающие нелинейный характер взаимного влияния конкурирующих видов друг на друга. Наконец, остается еще один тип взаимоотношений – «жертва – эксплуататор». К этому типу относятся отношения, при которых увеличение плотности популяции вида-эксплуататора влечет за собой уменьшение плотности популяции вида-жертвы, а рост популяции жертвы вызывает рост численности эксплуататора. 74

а

x1,x2 K1+α12K2

x1, x2

x1(t)

Сценарий А

K1

x1(t)

K2+α21K1

x2(t) x2(t) 0

t

t Рис. 3.16. Возможный сценарий конкуренции видов.

б

x1,x2 K1

x1(t)

x1, x2

Сценарий Б

K1

x2(t) 0

x2(t)

K2

x1(t)

t

Рис. 3.15. Динамика численности вида, отвечающая моделям аменсализма, комменсализма или мутуализма.

0 Рис. 3.17. Возможный сценарий конкуренции видов.

75

76

t

Одним из примеров отношений жертва – эксплуататор могут служить отношения «хищник–жертва». Отношения «жертва–эксплуататор» интересны не только потому, что они чрезвычайно распространены в природе. Этот тип биотических взаимодействий, по мнению множества исследователей, может порождать естественные циклические процессы, интерес к которым неуклонно возрастает в связи с развитием синергетики – науки о самоорганизации в сложных системах. В связи с этим математические модели экологии подверглись глубокому анализу, в том числе и предпринятому специалистами, весьма далекими от узко экологической проблематики. Охарактеризуем кратко основные сценарии, по которым может развиваться численность популяций в случае взаимоотношений «жертва – эксплуататор». Сценарий А («волк в овчарне»): вид-эксплуататор очень эффективен, быстро размножается и легко находит жертву. В результате он истребляет всю жертву, а затем погибает сам. Именно такой сценарий наиболее часто реализуется в лабораторных условиях, когда биологи экспериментально изучают взаимоотношения жертвы и эксплуататора. Сценарий Б: эксплуататор недостаточно эффективен, а жертва легко ускальзывает от него. Как результат, со временем эксплуататор вымирает, а численность жертвы после некоторого уменьшения достигает постоянного значения, отвечающего емкости среды. Такой сценарий характерен для попыток биологической борьбы с вредителями путем внедрения в экосистему хищника или паразита. Как правило, эти попытки оказываются неудачными. Сценарий В: из всех возможных соотношений численности жертвы и эксплуататора реализуется единственное, к которому система приходит в результате неколебательного процесса при любых начальных численностях. Сценарий Г: существует единственная устойчивая комбинация численностей жертвы и эксплуататора, к которой система из любого начального состояния приходит в результате процесса с затухающими колебаниями (рис. 3.18). И, наконец, сценарий Д: колебательный процесс, в котором численности жертвы и эксплуататора периодически меняются (рис. 3.19). Ученые-экологи неоднократно сталкивались с колебаниями численности организмов в природе. Пожалуй, наибольшее значение имели многолетние наблюдения за численностями зайца-беляка и охотящейся на него рыси в хвойных лесах Канады (рис. 3.20). Попытки объяснить такие колебания внешними факторами (солнечная активность, состояние атмосферы и т.п.) оказались безуспешными, и стало ясно, что периодические колебания возникают как результат 77

внутренних биотических взаимодействий в экосистеме. Подход к описанию этих процессов основан на работах В.Вольтерра и А.Лотки, появившихся в 20-е–30-е годы. Ими были построены математические модели, подобные тем, которые описаны выше для других типов межвидовых взаимодействий. В простейшем случае эти модели описываются уравнениями d x 1 / d t = r1 ⋅ x 1 - λ 1⋅x 2⋅x 1,

(3.45)

d x2 / d t = -d2 ⋅ x2 + λ2⋅x1⋅x2,

(3.46)

где λ1⋅x2 – коэффициент влияния эксплуататора на скорость роста популяции жертвы, λ2⋅x1 – коэффициент влияния жертвы на скорость роста популяции эксплуататора, d2 – смертность эксплуататора. Эти модели, получившие дальнейшее развитые в работах выдающегося советского математика акад. А.Н.Колмогорова, при достаточно общих предположениях о взаимодействиях в системе «жертва – эксплуататор» позволяли установить, при каких соотношениях емкостей среды по отношению к каждому из видов и коэффициентов взаимного влияния видов реализуется стационарное состояние (сценарии А–Г) или устойчивый цикл численностей (сценарий Д).

Сценарий Г x1(t) x2(t)

t Рис. 3.18. Режим динамики популяции с затухающими колебаниями 78

Сценарий Д x1(t) x2(t)

t Рис. 3.19. Режим динамики популяции с незатухающими колебаниями. К сожалению, в тот момент, когда экологи, специалисты по синергетике и самоорганизации праздновали успех, выяснилось, что эмпирические данные, служившие основой моделей, лишь с большим трудом можно использовать для подтверждения теоретических моделей: так, в 1942 г. на одну рысь приходилось почти 5000 зайцев [3]. При таком соотношении численностей жертвы и хищника невозможно приписать падение численности зайцев хищничеству рыси. Итак, до сегодняшнего дня математические модели биотических взаимодействий в экосистемах являются правдоподобными сценариями, однако, к сожалению, лишенными прочной эмпирической основы. Несмотря на это, поиск математических моделей дал важные научные результаты: стала понятной общая схема взаимодействия видов в экосистемах (пусть пока и весьма упрощенная), получены данные о возможности самопроизвольного возникновения колебательных процессов (т.е. спонтанной самоорганизации) в живой природе.

79

Рис. 3.20. Динамика численностей зайца-беляка (x1) и рыси (x2) в лесах Канады [3]. Среди ученых, занимавшихся математическим моделированием в экологии, выделяется фигура Вито Вольтерра – знаменитого математика ХХ в. Он родился в Италии в 1860 г., получил образование в университетах Флоренции и Пизы и быстро завоевал мировую известность работами по интегральным уравнениям и функциональному анализу. В знак признания заслуг ученого перед Италией король в 1905 г. назначил его сенатором. Интерес Вольтерра к экологическим проблемам возник благодаря общению с молодым биологом Умберто Д′Анкона, впоследствии ставшим зятем математика. Д′Анкона изучал статистику рыбных уловов в Адриатическом море и обратил внимание, что в годы I мировой войны, когда промысел почти прекратился, в уловах резко выросла доля хищных рыб. Вольтерра занялся разработкой математических моделей, которые могли бы объяснить этот феномен. Вскоре эти исследования стали основными в научном творчестве ученого. Их результатом стало опубликование в 1931 г. книги «Математическая теория борьбы за существование». Как это часто случается, монографию Вольтерра современники не оценили в полной мере. По-настоящему интерес к работам итальянского математика обнаружился в 60-е годы, когда возникла и получила бурное развитие наука о сложности и самоорганизации – синергетика. Не случайно на русском языке книга Вольтерра была издана через 45 лет после итальянского издания – в 1976 г. – и сразу стала библиографической редкостью. Вито Вольтерра был демократом и патриотом. В годы I мировой войны он много работал над проблемами совершенствования военной техники, таким путем помогая приблизить час победы над германско-австрийской коали80

цией. Вольтерра был единственным сенатором, проголосовавшим против передачи власти Муссолини. С утверждением в Италии фашистского режима Вольтерра покинул страну и отказался от всех итальянских почетных званий и наград, членства в итальянских научных обществах. И впоследствии, когда фашистское правительство всячески пыталось вернуть в страну знаменитого ученого, Вольтерра решительно отвергал все приглашения. Умер Вольтерра в 1940 г.

ІV. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ПРОЦЕССОВ В БИОСФЕРЕ 4.1. Устройство биосферы и роль живого вещества В биосфере протекает множество процессов, организмы рождаются, борются с неблагоприятными условиями внешней среды и между собой и умирают, экологические системы развиваются и гибнут, на их месте возникают новые. Но биосфера в целом представляет собой сложное и чрезвычайно устойчивое образование. Механизмы устойчивости биосферы понятны сегодня лишь в общих чертах. Биосфера – открытая система, находящаяся в неравновесном состоянии и обменивающаяся с внешней средой энергией и веществом. Первостепенное значение имеет для сохранения гомеостазиса биосферы внешний источник энергии – энергия солнечной радиации. Поток солнечной энергии, преобразовываясь в другие ее виды, проходит через все трофические уровни биосферы, через все экосистемы, обеспечивая их структурирование и организацию. Живое вещество обладает уникальной способностью отбирать из внешней среды энергию в тех видах и количествах, которые необходимы для самосохранения и развития жизни. При этом живое вещество выполняет средообразующую функцию, изменяя физико-химические параметры среды. Более того, живое вещество способно восстанавливать в рамках биосферы или отдельного биогеценоза условия, благоприятные для жизни, если они были нарушены вследствие природных или антропогенных катастроф. Живое вещество является материальной основой основных процессов в биосфере – энергетических, физико-химических, информационных. 81

К.Бэру принадлежит открытие «закона бережливости», образную формулировку которого дал В.И.Вернадский: «Атомы, вошедшие в какуюнибудь форму живого вещества, захваченные единичным жизненным вихрем, с трудом возвращаются, а может быть и не возвращаются назад, в косную материю биосферы». Иными словами, атомы, находясь в постоянном движении, переходя из одного живого существа в другое, очень редко покидают сферу жизни. «Закон бережливости» – выражение того факта, что химические элементы (реже химические соединения) в биосфере участвуют в непрерывных биотических круговоротах вещества. Круговые процессы переноса вещества в биосфере – еще один, помимо внешнего потока энергии, фактор устойчивости биосферы. Движущей силой биотического круговорота вещества служит солнечная энергия. В круговоротах участвуют почти все химические элементы: от углерода, азота, кислорода, водорода, кальция, серы, фосфора, кремния до микроэлементов брома, кобальта, меди, цинка и даже элементов, образующих ядовитые вещества – кадмия, мышьяка, селена, а также радиоактивные элементы. Предмет интереса химической экологии – исследование механизмов таких круговоротов, выявление общих закономерностей движения вещества в биосфере, характеристика основных путей движения химических элементов. В каждом биогеохимическом цикле различают две части: резервный фонд, содержащий большую массу медленно движущихся веществ, и обменный фонд, меньший по объему, но с быстрым обменом между организмами и их окружением. По типу резервных фондов биогеохимические циклы разделяют на 1) круговороты газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере и 2) осадочные циклы с резервным фондом в земной коре. Выводы о принадлежности элемента тому или иному фонду делают на основе результатов химического анализа. Конечно, часто затруднительно однозначно установить, находится ли элемент в данных конкретных условиях в резервном или обменном фонде. Например, при анализе почв алюминий, экстрагируемый ацетатным буфером с рН 4.8 считают находящимся в обменном фонде, а часть алюминия, которую дополнительно можно извлечь раствором реактива Тамма (щавелевая кислота и оксалат аммония, рН 3.2), относят к резервному фонду. Понятно, что такое отнесение достаточно условно, и не следует думать, что атомы, находящиеся в резервном фонде, всегда недоступны для организмов. 82

Человеческая деятельность существенно влияет на круговороты элементов. Люди используют почти все существующие в природе элементы и ряд искусственных. В результате промышленного и сельскохозяйственного производства из резервных в обменные фонды попадают большие количества вещества, часть элементов, напротив, выводится из биосферы, резко меняется ритм обменных процессов, в ряде мест создается дефицит тех или иных веществ, а в других местах – избыток. Усилия, предпринимаемые специалистами в области экологической химии, должны предоставить сведения о нарушениях естественных круговоротов в результате антропогенных влияний и создать научную основу для природоохранных мероприятий. В последние годы научные и технологические разработки, призванные обеспечить сохранение и восстановление экосистем, пострадавших в результате химического загрязнения, относят к отдельной области науки, получившей название «green chemistry». Одной из задач этой дисциплины служит восстановление нарушенных биотических круговоротов вещества. Познакомимся подробнее с наиболее важными круговоротами.

4.2. Круговорот азота Азот является одним из важнейших в биологическом отношении элементов. Из-за наличия нескольких степеней окисления, обилия разнообразных азотсодержащих соединений химия азота богата и сложна. В силу этих причин круговорот азота является сложным. Для него характерна высокая устойчивость к внешним воздействиям (забуференность). Круговорот азота относят к круговоротам газообразных веществ. Основные процессы, происходящие при круговороте азота – фиксация, ассимиляция, нитрификация, денитрификация, разложение, выщелачивание. В круговороте соединений азота (рис. 4.1) чрезвычайно большая роль принадлежит микроорганизмам. Азотфиксирующие бактерии усваивают (фиксируют) атмосферный азот, переводя его в белковые формы, легко усваиваемые другими организмами. Этот процесс происходит благодаря наличию у некоторых микроорганизмов азотфиксирующего фермента нитрогеназы, содержащей молибден. Роль фермента состоит в расщеплении тройной связи в молекуле азота (интересно, что этот же фермент катализирует восстановление другого соединения с тройной связью – ацетилена – до этилена). Фиксация азота требует значительных энергетических затрат. Бактерии, осуществляющие фиксацию, для связывания 1 г N2 83

расходуют энергию, выделяющуюся при окислении 10 г глюкозы. Ежегодно в биосфере в результате биофиксации связывается около 5 млрд. т азота. Другой естественный путь связывания азота – атмосферная фиксация. При грозовых разрядах и в результате фотохимических процессов азот взаимодействует с кислородом, образуя оксид азота(II), в дальнейшем окисляющийся до нитритов и нитратов. Вклад атмосферной фиксации в связывание азота намного меньше, чем вклад биологической фиксации. Деятельность человека также вносит вклад в связывание азота из атмосферы. Основной способ промышленной фиксации – производство аммиака из азота и водорода на железном катализаторе при высоких давлении и температуре (около 45 млн. т в год). Наконец, определенная часть азота поступает в гидросферу и атмосферу в виде аммиака в результате вулканической деятельности (около 5 млн. т). Связанный азот попадает или непосредственно в живые организмы, или в воду и почву, откуда также может переходить в организмы (ассимилироваться). Азот протоплазмы после отмирания организмов переводится в неорганическую форму при деятельности редуцентов. При этом происходят процессы аммонификации (превращения азотсодержащих соединений в аммиак) и нитрификации (перевода азота в нитратную форму). Эти формы азота легко ассимилируются организмами и возвращаются в круговорот. Некоторая часть соединений азота превращается в результате денитрификации в молекулярный азот и возвращается в атмосферу. Благодаря деятельности редуцентов, около 80 % азота, усваиваемого в течение года организмами в масштабе биосферы, не покидают круговорот. Лишь 20 % азота, усваиваемого организмами, – это результат процессов биологической и атмосферной фиксации. Поиному обстоит дело с азотом, фиксированным промышленным путем. Практически весь он переводится в удобрения. Из азота, поступившего на поля в виде удобрений, крайне малая часть используется повторно, тогда как основная часть теряется с собранным урожаем, а также в результате вымывания из почвы осадками (выщелачивания). В результате многократное увеличение массы вносимых в почву азотных удобрений (более чем десятикратное за 1950–1980 годы) мало сказывается на урожаях (за этот же период средняя урожайность выросла не более, чем вдвое). 84

осадков. Кроме того, под действием ультрафиолетового солнечного излучения диоксид азота реагирует с продуктами неполного сгорания углеводородов, вызывая образование фотохимического смога. Наконец, оксиды азота раздражающе действуют на органы дыхания человека и животных.

4.3. Круговорот углерода

Рис. 4.1. Круговорот азота [6]. Круговорот азота все больше подвергается влиянию антропогенного загрязнения воздуха. Попадающие в атмосферу с промышленными выбросами оксиды N2O и NO2 не характерны для естественного круговорота, являясь лишь короткоживущими промежуточными продуктами. Содержание этих оксидов в воздухе промышленных регионов за последние десятилетия выросло многократно. Поскольку оксиды азота при дальнейшем окислении образуют азотную кислоту, увеличение их содержания в атмосфере ведет к учащению кислотных 85

Круговорот углерода (рис. 4.2) относят к круговоротам газообразных веществ с небольшим обменным фондом в атмосфере (содержание углекислого газа в атмосфере оценивается примерно в 2.3⋅1012 т). Круговорот углерода начинается с фиксации углекислого газа в процессе фотосинтеза (около 60 млрд. т углерода в год). Часть углерода (48 млрд. т) возвращается в атмосферу в виде углекислого газа в процессе дыхания. Углерод, находившийся в живых организмах, после их отмирания переходит в результате деятельности микроорганизмов в гумусовое вещество (около 10 млрд. т углерода в год). Гумус, в свою очередь, со временем окончательно минерализуется до углекислого газа или карбонатов, и углерод возвращается в атмосферу. Лишь небольшая часть углерода (около 1 млрд. т в год) выводится из круговорота при захоронении в осадочной толще литосферы, в том числе и в результате взаимодействия углекислого газа с горными породами. Важно отметить, что в результате деятельности человека появился новый источник поступления углерода в атмосферу (4 млрд. т в год) – сжигание органического топлива (угля, нефти, газа и т.п.). Круговорот углерода в гидросфере более сложен, чем на суше. Дело в том, что образование углекислого газа регулируется поступлением кислорода в верхние слои воды из атмосферы и глубинных слоев. В процессе фотосинтеза захватывается из атмосферы около 30 млрд. т углерода за год. Почти весь этот углерод возвращается при дыхании и разложении органических останков в водную среду (26 млрд. т) в виде карбонатов. Еще 1.5 млрд. т попадает в донные карбонатные отложения. Морская вода имеет практически постоянное значение рН 8.1±0.2 [5] (мировой океан, по терминологии замечательного химика ХХ в. Л.Г. Силлена – это даже не рН-буферная система, а «рН-стат»). При таком рН углерод находится в виде гидрокарбонат-аниона. Поэтому не удивительно, что углекислый газ из атмосферы растворяется в воде, переходя в солевую форму, а обрат86

ный процесс – поступление углекислого газа из океана в атмосферу практически не происходит. Содержание углерода (в пересчете на углекислый газ) в океане более чем в 50 раз превышает его содержание в атмосфере. Круговороты углерода в Мировом океане и на суше связаны между собой, причем преобладает вынос этого элемента с суши в океан. Сформировавшийся десятки миллионов лет назад круговорот углерода поддерживал постоянный уровень содержания углекислого газа в атмосфере благодаря наличию двух факторов: устойчивости фотосинтеза в лесах «зеленого пояса» Земли (джунгли Амазонии, сибирская тайга) и карбонатной системе Мирового океана. Деятельность человека приводит к увеличению выбросов углекислого газа в атмосферу с выхлопами и промышленными газами, сведению лесов – важнейших накопителей углерода, ускорению минерализации и окисления гумусового компонента почвы. Возможно, что «буферная емкость» биосферы по отношению к избыточному поступлению углекислого газа уже превышена. Как результат, наблюдается постоянное увеличение содержания СО2 в атмосфере. Начиная с 1958 г., когда были начаты систематические измерения, это содержание выросло на 10 %. При сохранении скорости этого процесса уже в середине XXI века содержание СО2 в атмосфере удвоится. Из-за парникового эффекта это вызовет глобальное потепление на Земле (в среднем на 1.5–4.5 оС), причем наибольшее влияние испытают области у полюсов Земли (там повышение температуры, по некоторым прогнозам, достигнет 10 оС). Это, в свою очередь, чревато глобальными изменениями климата (во влажных районах количество осадков станет еще больше; районам степей и лесостепей, таким, как территория Украины, грозит опустынивание) и затоплением прибрежных районов. Эти эффекты могут иметь лавинообразный взаимно усиливающий (синергический) характер: чем больше СО2 в атмосфере, тем выше температура, тем меньше связывание углекислого газа и т.д. В конечном итоге биосферу ждет экологический коллапс. Такой сценарий очень серьезно обсуждают многие ответственные ученые. Вместе с тем, далеко не все специалисты столь пессимистически оценивают будущее индустриальной цивилизации. Эти ученые отмечают, что для большинства растений интенсивность фотосинтеза с ростом содержания СО2 увеличивается, и этот эффект может привести к стабилизации содержания углекислого газа в атмосфере, хотя и на уровне, превышающем нынешний. 87

Рис. 4.1. Круговорот углерода [6].

4.4. Круговороты фосфора и серы Распространенность фосфора в земной коре намного меньше, чем содержание азота. Вместе с тем, этот элемент является одним из важнейших биогенов. Круговорот фосфора (рис. 4.3) довольно прост. На суше он протекает по схеме почва → растения → животные → почва. В отличие от круговорота азота, это осадочный цикл, в котором резервуаром фосфора служат горные породы. Эти породы подвержены эрозии. При этом фосфаты переводятся в более растворимые формы (например, моно- и дигидрофосфатные), приобретая подвижность и попадая в экосистемы. 88

Деятельность человека нарушает естественный круговорот фосфора. Для производства удобрений добывается около 2 млн. т в год фосфорсодержащих пород. Большая часть этого фосфора переводится в легкорастворимые формы, вносится в почвы и затем смывается осадками. Запасы фосфорсодержащих пород достаточно велики, но попадание фосфора в природные воды способствует усиленному росту водной растительности, интенсивно потребляющей растворенный в воде кислород, что влечет за собой угнетение развития или гибель водных организмов. Для круговорота серы (рис. 4.4) характерно наличие большого резервного фонда в почве и отложениях и меньшего – в атмосфере. Основную роль в обменном фонде серы выполняют специализированные микроорганизмы, каждый вид которых отвечает за отдельный тип окислительно-восстановительных реакций. Основной доступной формой серы являются сульфаты. Сульфаты восстанавливаются сульфобактериями SO42- → H2S, в результате чего образуются белки, содержащие серу в степени окисления -2. Микроорганизмы-редуценты переводят серу из сульфидной формы, в которой она находится в органических остатках, в формы с меньшими степенями окисления: H2S → S → SO42-; H2S → SO42-;

Рис. 4.3. Круговорот фосфора [6]. Большое количество фосфатов попадает в море, отлагаясь частично в мелководных осадках, а частично покидая круговорот, теряясь в глубоководных отложениях (основную часть и мелководных, и глубинных отложений составляет фосфат кальция). Залежи фосфата кальция могут с течением времени вновь выйти на поверхность и снова включить фосфор в круговорот. Доступными для организмов в экосистемах являются и легкорастворимые соединения, образующиеся при деструкции органических остатков. 89

S (в органических соединениях) → SO42-. Выделяющаяся при этом энергия используется для поддержания жизнедеятельности серобактерий-хемотрофов. Определенную роль в круговороте играет микробная регенерация серы из глубоководных сульфидных отложений. В результате к поверхности перемещается сероводород. На круговороте серы все больше сказывается промышленное загрязнение атмосферы диоксидом серы. Основная масса SO2 образуется при сжигании угля и, попав в воздух, со временем окисляется до серной кислоты. С атмосферными осадками серная кислота попадает на поверхность экосистем, нарушая кислотноосновный баланс почв, выщелачивая горные породы, вызывая деградацию лесов.

90

Рис. 4.3. Круговорот серы [6].

4.5. Механизмы миграции и удерживания ионов микроэлементов в земной коре Как уже подчеркивалось, химическое воздействие живого вещества многообразно: оно выполняет концентрационную функцию (концентрирование элементов в организмах), способствует разрушению пород и рассеиванию элементов в земной коре, их концентрированию веществом сланцев, углей, нефтей. Главной чертой механизма взаимодействия элементов с органическим веществом биогенного происхождения является процесс комплексообразования. Огромное количество комплексообразующих веществ поступает в почвы и природные воды как продукты метаболизма живых организмов и, главным образом, как результат биохимической деструкции остатков растительных и животных тканей, плазмы микроорганизмов – процесса гумификации. В продуктах превращения растительных и животных остатков, поступающих в воды и почвы, доминируют гуминовые и фульвокислоты. В среднем на каждый квадратный километр суши ежегодно поступает 33–168 т гумусового вещества (гуминовых и фульвокислот) [7]. По химической природе эти вещества – высоко91

молекулярные аналоги полиоксиполикарбоновых ароматических кислот. Более растворимой формой являются фульвокислоты, они легко вымываются из почв атмосферными осадками, попадают в реки и с речным стоком – в океан. Согласно оценкам В.И.Вернадского [1], ежегодно в океан попадает 200 млн. т органических веществ (около 10 % всего количества гумусовых веществ, образующихся на суше). Содержание фульвокислот в поверхностных водах составляет от 1 до 100 мг/л и зависит от климатических условий. Так, в направлении от зоны тайги к зоне пустыни оно снижается от 7–19 мг/л до 0.8–10 мг/л. Концентрация фульвокислот в речных водах сопоставима с концентрацией неорганических макрокомпонентов и на три– пять порядков превышает содержание ионов металлов-микрокомпонентов. Оценивая геохимическую роль фульвокислот в миграции элементов в земной коре, отмечают [7] такие их свойства, как термическая, термодинамическая и биохимическая устойчивость. В природных условиях фульвокислоты сохраняют комплексообразующие свойства до 250–280 оС и даже выше этой температуры. Образование комплексных соединений ионами металлов с фульвокислотами резко повышает миграционную способность элементов в объектах окружающей среды. О термодинамической стойкости образующихся комплексов можно судить по величинам их условных констант устойчивости β11 (табл. 4.1 [7–9]). Если фульвокислоты увеличивают подвижность элементов, то гуминовые кислоты как менее растворимые вещества, напротив, ведут себя в природных условиях как сорбенты, удерживающие ионы металлов. Они способствуют концентрированию загрязняющих и рудных элементов в почвах, донных отложениях, углеродсодержащих породах. Показано [8], что 1 г гуминовых кислот удерживает 9 мг кадмия(II), 15 мг золота, 18 мг меди(II) и 34 мг свинца. Таким образом, миграционная способность элементов в конкретных условиях зависит от состава гумусовых кислот почв и вод и определяется конкуренцией процессов комплексообразования ионов металлов с фульвои гуминовыми кислотами. Этот вывод нашел подтверждение при исследовании миграции радионуклидов, образовавшихся во время катастрофы на Чернобыльской АЭС. Высокую радиоактивность наблюдали лишь в пробах природных вод высокой цветности, т.е. с большими содержаниями фульвокислот. Основная доля радионуклидов осталась связанной с труднорастворимыми гуминовыми веществами почвы. В условиях Украины и Белоруссии тенденция к удерживанию радионуклидов значительно сильнее, чем тенденция к их рассеянию. 92

Таблица 4.1. Условные константы устойчивости фульватных комплексов металлов состава Ме:ФК = 1: 1 Катион Ca(II) Sr(II) Ce(III) Y(III) U(VI) Fe(II) Fe(III) Hg(II) Hg(II) Hg(II) Cu(II) Sb(III) Au(III) Au(III) Au(III) Ru(IV) Pt(IV) Pd(II)

рН 0 – 14 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 4.2 5.2 6.4 8.0 3.1 3.5 5.8 7.5 5.0 5.3 5.3

lg β11 3.64 3.57 4.78 4.91 4.30 4.67 7.15 5.90 8.01 11.23 6.49 4.11 6.41 8.75 9.95 5.86 7.83 7.30

ОХРАНА ПРИРОДЫ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ

I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПОНИМАНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОХРАНЫ ПРИРОДЫ Современные масштабы и темпы развития производительных сил требуют изменения отношения к вопросам, связанным с охраной окружающей среды и рациональным использованием природных ресурсов. Эти вопросы приобрели в настоящее время большую экономическую и социальную значимость, так как речь, по существу, идет о здоровье людей, бережном, хозяйственном подходе к национальному богатству страны и, в конечном итоге, о безопасном развитии человечества. Однако, решение этих проблем осложняется многообразием точек зрения и подходов к трактовке большого числа известных фактов негативного воздействия человека на окружающую среду, что объясняется отсутствием единого научного подхода к оценке экологической безопасности цивилизации. Только количественный анализ на основе принципов сравнения опасностей различной природы в единой шкале, включая факторы психологического и социального характера, дает возможность выработать единственно приемлемую оптимальную стратегию безопасного развития человечества. Выработка этой стратегии должна опираться на научный фундамент многих дисциплин, связанных языком математики, которая позволит объединить химиков, биологов, физиков, экологов, психологов, экономистов и других специалистов. Эта проблема имеет еще один аспект – международный, т.к. техно93

94

генная опасность стала глобальной, что обуславливает необходимость совместного решения возникающих проблемных задач. Для химиков особую важность представляет проблема охраны биосферы. Наряду с тем, что химическая промышленность ответственна за большую долю загрязнителей, выбрасываемых в окружающую среду, многие отрасли, такие как металлургия, энергетика и некоторые другие, действуя аналогично, загрязняют окружающую среду продуктами химических превращений. Одновременно многие методы очистки и улавливания загрязнителей основаны на химических процессах. Велика роль химиков-исследователей с университетским образованием в диагностике и контроле загрязнителей в техно- и биосфере и в создании новых безотходных и безопасных процессов. Две организации ООН – ЮНЕСКО и ЮНЕП (программа по окружающей среде) в 1975 г. приступили к осуществлению совместной программы «Образование в области окружающей среды». Эта программа нацелена на то, чтобы образование в области окружающей среды стало важным компонентом общего образования. При этом образование в области охраны окружающей среды и рационального природопользования заслуживает того, чтобы его, как это сделали на Украине, включили в программы учебных заведений всех типов и уровней. У нас, в Харьковском государственном университете, также введен курс «Охрана природы». При этом преследуется двойная цель:

♦ способствовать более глубокому осознанию студентами проблем окружающей среды в целом, а также ♦ вызвать у студентов желание принимать активное участие в мероприятиях по решению этих проблем. Изучение курса не должно быть только познавательным. Оно должно формировать и развивать правильное понимание проблем окружающей среды, уважение к ней, чувство ответственности и стремление внести свой вклад в дело защиты и улучшения местообитания человека, выработку им соответствующего поведения в повседневной жизни и на работе. В рамках осуществления программы ООН были проведены семинары, конференции, заседания рабочих групп. В 1977 г. в Тбилиси прошла международная конференция по вопросам образования в области охраны природы (окружающей среды). В результате были сформулированы следующие задачи экологического образования: 95

• Повышение внимания к общим проблемам окружающей среды. • Сообщение сведений об окружающей среде и воспитание ответственности человека за ее состояние. • Воспитание чувства причастности к проблемам окружающей среды, социальное значение мотивации участия в деле защиты окружающей среды и ее улучшения. • Передача опыта в решении проблем окружающей среды. • Развитие умения оценивать меры по охране окружающей среды и формирование соответствующих программ с участием экологических, политических, экономических, социальных, эстетических и общеобразовательных аспектов. Таким образом, экологическое воспитание и образование должно пронизывать весь процесс формирования специалиста любого профиля, техника или инженера, педагога или исследователя. Главное при этом, чтобы все специалисты, выпускаемые высшей школой, вместе с основательными юридическими и практическими знаниями получали высокий нравственный заряд и умение решать задачи охраны природы применительно к своей профессиональной области. Так, инженер, работающий в цехе серной кислоты, как никто другой, знает, где происходит утечка вредных веществ в окружающую среду, и только он может ее устранить. Элементы экологических и природоохранных знаний введены во все формы учебной работы. Так, например, на разных этапах обучения студенты получают сведения об экологических понятиях (экологическая ниша, экосистема, биотоп, биоценоз и т.п.), предельно допустимых концентрациях (ПДК), предельно допустимых выбросах (ПДВ) и др. Предусмотрено также изложение методических аспектов вопроса, правовых норм и законодательных положений, а также экономических аспектов охраны природы. Например, в наиболее конкретной форме вопросы охраны окружающей среды находят отражение в курсе общей химической технологии, где основное внимание уделяется природоохранной направленности главных тенденций в развитии химической технологии: • создание малоотходных и безотходных производств; • использование вторичных ресурсов; • комплексное использование природного сырья; • комбинирование и совмещение производств и др. Важным аспектом экологического обучения является усвоение идеологии безотходного производства, понимание того, что только 96

оптимизация всего цикла «ресурсы – производство – потребление – ресурсы» дает возможность снизить до минимума отрицательное воздействие и производства, и потребления на окружающую среду. Экологические и природоохранные знания, полученные в общеобразовательных курсах, получают закономерное развитие в разделах специальной подготовки. Так, например, в разделе «Обогащение руд» подчеркивается, что процесс обогащения не только повышает содержание целевого компонента, но и создает основу для комплексного использования руды (например, из серного колчедана получают обжигом диоксид серы, используемый в производстве серной кислоты), а также удаление вредных для окружающей среды веществ. Описание нетрадиционных приемов добычи полезных ископаемых (подземной газификации, подземного выщелачивания и т.п.) сопровождается сравнением с обычными методами с точки зрения охраны окружающей среды. Постоянное внимание уделяется и тому, что повышение качества изделий, удлинение срока их использования также уменьшает отходы потребления, экономит ресурсы и, тем самым, является важным фактором охраны природы.

II. ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВО, УПРАВЛЕНИЕ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ В ОБЛАСТИ ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА УКРАИНЕ Охрана окружающей среды, рациональное природопользование, обеспечение экологической безопасности жизнедеятельности человека – неотъемлемое условие устойчивого экономического и социального развития любого государства. При этом охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов представляют собой сложную и многоплановую проблему. В последнее время в Украине уделяется большое внимание ее решению. С целью обеспечения эффективной работы в этом направлении в Украине принят пакет документов, обеспечивающих правовую базу охраны природы, рационального использования и расширенного вос97

производства природных ресурсов. Правовую охрану природы определяют как систему государственных мероприятий, закрепленных в праве и направленных на сохранение, восстановление и улучшение благоприятных природных условий, необходимых для жизни людей и развития материального производства. Правовые акты обладают различной юридической силой. Высшая юридическая сила принадлежит Конституции Украины. За ней следуют законы, принимаемые Верховным Советом, и постановления правительства. Наряду с законами принимаются нормативные акты, юридическая сила которых определяется рангом и компетенцией соответствующих министерств и ведомств. К природоохранительным актам относятся также решения местных советов и их исполнительных органов. Наконец, природоохранные нормативы устанавливаются государственными стандартами и техническими нормами (санитарными, строительными и др.). Немалая роль в охране природы принадлежит общественности. В Украине действуют Всеукраинский совет товариществ охраны природы и Украинский совет охраны и экологического и рационального использования природы. Деятельность этих организаций сосредоточена, в основном, на проведении воспитательной работы в учебных заведениях, борьбе с эрозией почв за счет установления правильных севооборотов, создания лесонасаждений и т.п. и на общественном контроле экологической обстановки. В 1992 г. создан национальный ЭКО-центр, в задачи которого входят создание перечня природных ландшафтов Украины и разработка государственных программ рекультивации земель. Ниже рассмотрены основные правовые акты об охране окружающей среды на Украине.

2.1. Закон Украины «Об охране окружающей природной среды» Закон «Об охране окружающей природной среды» принят 25 июня 1991 г. и введен в действие Постановлением Верховного Совета УССР 26 июня 1991 г. [11]. Данный законодательный акт действует и поныне и обязателен для исполнения на всей территории Украины. Этот Закон состоит из 72 статей, объединенных в 16 разделов. Он охватывает все стороны охраны окружающей среды. каждый раздел содержит статьи, посвященные одной проблеме. 98

Первый раздел определяет основные цели и задачи законодательства Украины об охране окружающей среды. В этом разделе указаны объекты правовой защиты окружающей среды, основные принципы охраны окружающей среды и государственные экологические программы. Согласно Закону (ст. 5), государственной охране подлежат окружающая природная среда как совокупность природных и природно-социальных условий и процессов, природные ресурсы, как вовлеченные в хозяйственный оборот, так и не используемые в народном хозяйстве в данный период (земля, недра, воды, атмосферный воздух, лес и иная растительность, животный мир), ландшафты и другие природные комплексы. Особой государственной охране подлежат территории и объекты природно-заповедного фонда Украины. Государственной охране от отрицательного воздействия неблагоприятной экологической обстановки подлежат здоровье и жизнь людей. Согласно Закону (ст. 4), «природные ресурсы Украины являются собственностью народа Украины, который имеет право на владение, использование и распоряжение природными богатствами». Полновластие народа Украины в области охраны окружающей среды и использования ресурсов реализуется на основе Конституции Украины как непосредственно. путем проведения референдумов, так и через органы государственной власти в соответствии с законодательством Украины. Закон определяет экологические права и обязанности граждан Украины, а также гарантии защиты этих прав (раздел II, ст. 9–12). Законом определены полномочия и компетенция различных государственных органов в области защиты и охраны окружающей среды. Так, ст. 16 декларирует: «Управление в области охраны окружающей природной среды заключается в осуществлении в этой области функций наблюдения, исследования, экологической экспертизы, контроля, прогнозирования, программирования, информирования и другой исполнительно-распорядительной деятельности». Общественное управление в области охраны природы осуществляется общественными организациями и объединениями, если такая деятельность предусмотрена их уставами, зарегистрированными в соответствии с законодательством Украины. Целью управления в области охраны окружающей среды является реализация законодательства, контроль за соблюдением требований экологической безопасности, обеспечение проведения эффективных и комплексных мероприятий по охране окружающей природ99

ной среды, рациональному использованию природных ресурсов, достижению согласованности действий государственных и общественных органов в области охраны окружающей среды. В Законе определены обязанности и объекты экологической экспертизы, а также понятия государственной и общественной экологической экспертизы. Раздел VII посвящен вопросам стандартизации и нормирования в области охраны окружающей среды. Он определяет задачи стандартизации и нормирования, экологические стандарты и нормативы. Большое внимание в Законе уделено контролю и надзору в природоохранной области. Задачи контроля состоят в обеспечении соблюдения требований законодательства об охране окружающей среды всеми государственными органами, учреждениями и организациями, независимо от форм собственности и подчинения, а также гражданами Украины. Контроль в области охраны окружающей природной среды в Украине осуществляется исполнительными и распорядительными органами государственной власти, а также общественностью в лице общественных инспекторов охраны окружающей природной среды. Государственному контролю подлежат использование и охрана земель, недр, поверхностных и подземных вод, атмосферного воздуха, лесов и другой растительности, животного мира, морской среды и природных ресурсов территориальных вод континентального шельфа и морской экономической зоны Украины (ст. 35). Надзор за соблюдением законодательства об охране окружающей среды осуществляет генеральный прокурор Украины и подчиненные ему органы прокуратуры. Отдельными разделами закона регулируется использование природных ресурсов, экономический механизм обеспечения охраны природы, а также мероприятия по обеспечению экологической безопасности. Статья 40 содержит экологические требования при использовании природных ресурсов. Использование природных ресурсов гражданами, предприятиями, учреждениями и организациями осуществляется с соблюдением обязательных экологических требований, в число которых входят: а) рациональное и экономное использование природных ресурсов на основе широкого применения новейших технологий; 100

б) осуществление мероприятий по предупреждению порчи, загрязнения, истощения природных ресурсов, отрицательного воздействия на состояние окружающей природной среды; в) осуществление мероприятий по воспроизводству восстанавливаемых природных ресурсов; г) применение биологических, химических и иных методов улучшения качества природных ресурсов, обеспечивающих охрану окружающей природной среды; д) сохранение территорий и объектов природно-заповедного фонда, а также других территорий, подлежащих особой охране; е) осуществление хозяйственной и иной деятельности без нарушения экологических прав других лиц. Законом вводится плата за ухудшение качества природных ресурсов и экологическое страхование (добровольное и обязательное) на случай ущерба, причиненного вследствие загрязнения окружающей природной среды (ст. 45, 49). В разделе XII определены природные территории и объекты, подлежащие особой охране. К таким объектам причислены природно-заповедный фонд Украины, курортные и лечебно-оздоровительные зоны, рекреационные зоны (участки суши и водного пространства, предназначенные для организованного массового отдыха населения и туризма). В Законе также рассмотрены вопросы определения чрезвычайных экологических ситуаций, пути предотвращения аварий и ликвидации их вредных экологических последствий, разрешение споров в области охраны окружающей среды. Разделом XV определена ответственность за нарушения законодательства об охране окружающей среды и международные отношения Украины в области охраны природы. В целом Закон охватывает практически все сферы охраны природы, однако более детальное правовое регулирование природоохранной деятельности потребовало принятия законов «Об охране атмосферного воздуха» и «О природно-заповедном фонде Украины».

2.2. Закон Украины «Об охране атмосферного воздуха» Этот Закон [12] принят 16 октября 1992 г. и введен в действие Постановлением Верховного Совета Украины 16 октября 1992 г. 101

Атмосферный воздух является одним из основных жизненно важных элементов окружающей природной среды. Данный закон направлен на сохранение благоприятного состояния атмосферного воздуха, обеспечение экологической безопасности и предотвращение вредного воздействия на природную среду. Он определяет правовые и организационные основы и экологические требования в области охраны и использования атмосферного воздуха. Закон состоит из 10 разделов и 46 статей. Отдельными разделами регулируются стандартизация и нормирование в области охраны воздуха, мероприятия по его охране, отношения в области использования атмосферного воздуха, экономические механизмы обеспечения охраны воздуха, государственный мониторинг, ответственность за нарушение законодательства и др. Вопросы охраны атмосферного воздуха актуальны на Украине, так как значительная часть ее территории является зоной экологического бедствия в отношении загрязнения атмосферного воздуха (Донбасс, Запорожская, Днепропетровская области и др.). В связи с этим данный Закон призван согласовать и упорядочить действия государственных и общественных органов по охране атмосферного воздуха и предотвращению его дальнейшего загрязнения.

2.3. Закон «О природно-заповедном фонде Украины» Этот Закон [12] принят 16 июня 1992 г. и введен в действие Постановлением Верховного Совета Украины 16 июня 1992 г. Данный закон состоит из 11 разделов и 67 статей. Закон определяет правовые основы организации, охраны, эффективного использования природно-заповедного фонда Украины, воспроизводства его природных комплексов и объектов. Природно-заповедный фонд составляют участки суши и водного пространства, природные комплексы и объекты которых имеют особую природоохранную, научную, эстетическую, рекреационную и иную ценность и выделены с целью сохранения природного разнообразия ландшафтов, генофонда животного и растительного мира, поддержания общего экологического баланса и обеспечения фонового мониторинга окружающей природной среды. 102

В связи с этим законодательством Украины природно-заповедный фонд охраняется как национальное достояние, в отношении которого устанавливается особый режим охраны, воспроизводства и использования. Украина рассматривает этот фонд как составную часть мировой системы природных территорий и объектов, находящихся под особой охраной. По состоянию на 1990 г. на Украине насчитывалось 13 заповедников общей площадью 189 тыс. га, не считая лесопарковых зон, водоохранных зон вдоль рек и водоемов, мест с реликтовой растительностью и других природоохранных объектов. Закон определяет классификацию природоохранных объектов, права и обязанности граждан в отношении этих объектов, способы и методы управления в области организации, охраны и использования природно-заповедного фонда. Вопросам экономического обеспечения организации и функционирования природно-заповедного фонда посвящен отдельный раздел Закона. Данным Законом также определяется порядок создания и объявления заповедными территорий и объектов природного фонда. Закон регулирует порядок отвода земельных участков природным заповедникам, биосферным заповедникам, национальным природным паркам, устанавливает меры ответственности за нарушение законодательства о природно-заповедном фонде. Организация национальных парков, заповедных территорий или управляемого заказного режима на охраняемых территориях включает решение многих вопросов: сохранение уникальных природно-территориальных комплексов, ценных в научно-природоведческом, культурно-образовательном, социальном и народнохозяйственном отношениях; охрану генетических ресурсов биосферы, в первую очередь – генофонда исчезающих, реликтовых или эндемичных видов растений и животных; обеспечение экологических условий их эволюции; охрану защитных рекреационных экосистем. На современном этапе экологического воздействия на биосферу научно-природоведческое и народнохозяйственное значение заповедных территорий значительно возросло, возникли новые экологические требования к организации их сети. Организация заповедных объектов различного назначения должна строиться на научных принципах и поддерживаться развитой правовой базой. 103

III. МАСШТАБЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И МЕРЫ ПО ЕЕ ЗАЩИТЕ В нашу эпоху антропогенное воздействие на окружающую среду становится все более интенсивным и масштабным. Серьезную озабоченность вызывает растущее загрязнение природных сред – атмосферы, гидросферы и литосферы. В связи с этим наибольшее значение приобретает контроль качества и регулирования состояния окружающей среды. Мировое хозяйство ежегодно выпускает около 800 млн. т черных металлов, свыше 60 млн. т неизвестных природе синтетических материалов, около 500 млн. т минеральных удобрений, до 8 млн. т ядохимикатов, свыше 300 млн. т органических химических соединений. За счет работы производственных мощностей в атмосферу выбрасывается ежегодно более 300 млн. т диоксида углерода, 50 млн. т углеводородов, 120 млн. т золы, 150 млн. т диоксида серы, а в воды Мирового океана попадает до 10 млн. т сырой нефти, твердые остатки в стоках рек достигает 17 млн. т. Кроме того, для ирригации, промышленного производства, бытового потребления в мире используют более 13 % речного стока и сбрасывают в водоемы ежегодно до 500 млрд. м3 промышленных и коммунальных стоков, а их нейтрализация требует пяти-двенадцатикратного разбавления чистой водой. Загрязнение биосферы, исчерпание природных ресурсов, разрушение экосистем, потеря природой способности к самовосстановлению – опасные и сложные процессы, развитие которых вызвано и стимулируется хозяйственной деятельностью человека. К настоящему времени многие виды загрязняющих веществ, например, металлическая пыль, пестициды, радиоактивные вещества выходят на региональный и глобальный уровни, превращая планету в единую технобиологическую систему. Такие изменения не проходят бесследно для человека. В выбросах промышленных предприятий содержится до 150 веществ, наносящих вред здоровью людей. Уже сегодня вызывает беспокойство тот факт, что многие современные болезни связаны с появлением в окружающей среде продуктов химического производства и транспортных выбросов. Сформировавшиеся на 104

протяжении миллионов лет компоненты природы – лесные массивы, чистая вода, чистый воздух, экологические системы разных уровней оказались в местностях с наибольшей плотностью населения поврежденными, темпы исчезновения некоторых видов животных и растений приняли угрожающий характер. В биосферу внесены вредные отходы промышленности, пестициды, избыток химических удобрений, перегретые воды электростанций и другие отходы деятельности человека. По своему составу (многие синтетические материалы) и объему эти отходы не могут быть переработаны естественным путем и войти в природные круговороты веществ и элементов.

3.1. Экологический мониторинг. Проблемы экотоксикологии Для оценки состояния природной среды, исследования происходящих в ней процессов необходима детальная информация. В мире создана система периодически повторяемых наблюдений показателей окружающей природной среды в пространстве и во времени – система мониторинга. Система мониторинга охватывает как локальные районы или отдельные страны (национальный мониторинг), так и земной шар в целом (глобальный мониторинг). Задачи мониторинга: наблюдение за состоянием биосферы, оценка и прогноз ее состояния; выявление характера и степени антропогенных воздействий на биосферу и отдельные экологические системы. Первая ступень мониторинга – санитарно-гигиенический мониторинг. Он предполагает систематический контроль содержания в объектах окружающей среды важнейших токсичных антропогенных загрязнителей. Следующая ступень – природно-хозяйственный мониторинг. Он представляет собой наблюдения над изменением экосистем и преобразованием их в природно-технические системы (агросистемы, городскую среду, среду индустриальных районов). Наконец, высшая ступень – биосферный мониторинг, задачей которого является наблюдение и прогноз изменений биосферы в глобальном масштабе. В состав показателей биосферного мониторинга включают характеристики солнечной радиации, озонового экрана в атмосфере, запыленности атмосферы и ее газового состава, оценки 105

биологической продуктивности почв суши и вод Мирового океана, фотосинтезирующей деятельности в биосфере. Отдельной задачей биосферного мониторинга является изучение и контроль таких процессов, как воздействие кислот, растворенных в дождевой воде, на почву и растительность, перенос вирусов и микроорганизмов в грунтовые воды, накопление токсичных химических веществ в организмах. Химическая экология тесно связана со смежными научными дисциплинами, в частности, теми, которые имеют непосредственное отношение к здоровью человека. Так, предметом экологической химии является исследование превращений химических веществ под воздействием факторов окружающей среды, причем в центре внимания стоит изучение веществ антропогенного происхождения. Примеры негативного влияния загрязнителей на состояние организмов весьма многочисленны. Скажем, согласно недавним исследованиям [10], у табакокурильщиков обнаружено накопление в почках тионина кадмия. Заядлые курильщики рискуют испытать хроническое отравление кадмием с необратимым нарушением функций почек. Цианиды, образующие с ионами металлов прочные комплексы, легко реагирующие с альдегидами и кетонами, восстанавливающие дисульфиды до сульфидов, тормозят ферментативные реакции. Поскольку в живых организмах подавляющие большинство реакций осуществляется при помощи ферментов, цианиды разрушительным образом влияют на жизнедеятельность организмов. Токсичные металлы, такие, как мышьяк, ртуть или медь, нарушают ход процесса окислительного разрушения углеводов; ряд органических соединений, распространенных в антропогенной среде (пентахлорфенол, триэтилсвинец, 2.4-динитрофенол) разрывают цепь химических реакций процессов дыхания. Ряд химических соединений (например, ароматические углеводороды, нитроароматические соединения, хлороформ, сахарин, фенобарбитал) вызывают онкологические заболевания и приводят к мутациям. Исследованием влияния химических веществ на организмы занимается экотоксикология. Сумма результатов, полученных химиками-экологами и токсикологами, является основой для выбора веществ, содержание которых подвергается санитарно-гигиеническому мониторингу. Воздействие химических веществ на организмы зависит от окружающих условий и биологического потенциала организма. Все организмы могут выводить довольно большие количества посторонних 106

веществ или связывать их в своих тканях (например, галогенированные органические соединения накапливаются в жировых тканях). Воздействие химического вещества на организм (W) представляют в виде интеграла ∞

W = ∫ ( П - В) dt ,

(3.1)

0

где П – концентрация поглощенного вещества, В – концентрация выведенного вещества, t – время. Характерный пример зависимости «доза вещества (R) – воздействие (W)» приведен на рис. 3.1 Любая зависимость W – R начинается с порога, ниже которого влияние вещества не обнаруживается. На уровне этого порога выбирают величины предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязнителей в объектах окружающей среды, продуктах и т.д. Характер и степень вредного воздействия химических препаратов во многих случаях сложным образом зависят от времени действия. Наблюдаются как быстрые биохимические изменения, нарушения поведения, сублетальные эффекты и быстрая гибель, так и вначале малозаметные нарушения, отчетливо проявляющиеся лишь по прошествии длительного времени.

W

порог

R

Рис. 3.1. Пример зависимости «доза – эффект».

107

По результатам оценки влияния химических загрязнителей на организм человека были сформулированы основные критерии вредности загрязнителей [6]: 1. Допустимым может быть признано только такое содержание того или иного вещества, которое не оказывает на человека прямого или косвенного вредного и неприятного действия, не снижает его работоспособности, не влияет на самочувствие и настроение. 2. Привыкание к вредным веществам должно рассматриваться как доказательство недопустимости изучаемого уровня содержания. 3. Недопустимо такое содержание вредных веществ, которое неблагоприятно влияет на растительность, климат местности, прозрачность атмосферы и бытовые условия жизни населения. Для важнейших загрязнителей уровни ПДК установлены законодательно, причем время от времени они пересматриваются в сторону ужесточения. ПДК некоторых веществ приведены в табл. 3.1 и 3.2. Контроль содержания химических соединений является обязательным условием для разработки мероприятий, направленных на сохранение и возрождение природных экосистем и обеспечение безопасных условий жизни человека. Таблица 3.1. ПДК некоторых загрязнителей в атмосферном воздухе, мг/м3 Вещество ПДК Вещество ПДК Азота диоксид 0.085 Оксид углерода 0.3 Азотная кислота: Пыль нетоксичная 0.5 по молекуле 0.4 по водородному 0.006 иону Аммиак 0.2 Сажа (копоть) 0.15 Анилин 0.05 Серная кислота 0.300 Ацетальдегид 0.01 Сероводород 0.008 Ацетон 0.35 Сероуглерод 0.03 Бензин (в переСеры диоксид 0.5 счете на углерод) 5 Бензол 1.5 Соляная кислота: по молекуле 0.2 по водородному иону 0.006 Метанол 1.000 Уксусная кислота 0.200 Нафталин 0.003 Фенол 0.01 Нитробензол 0.008 Хлор 0.01 Пиридин 0.080 108

Таблица 3.2. ПДК некоторых загрязнителей в водоемах, мг/л. Элемент Свинец Мышьяк Ртуть Медь Цинк Кадмий Железо

ПДК 0.1 0.05 0.005 0.10 1 0.01 0.5

Вещество Анилин Фенол Сероуглерод Тиофос

ПДК 0.1 0.1 1 0.003

Загрязнение окружающей среды достигло таких масштабов, что неотложной задачей стали разработка и внедрение технологических методов, способных прекратить или, по крайней мере, затормозить загрязнение биосферы. Мы рассмотрим, как решается эта проблема при очистке воздуха и вод.

3.2. Проблема чистого воздуха

ским бронхитом закончилось трагически. Количество смертных случаев резко возросло, превысив средний многолетний уровень на четыре тысячи. В Вальсуме, близ Дюссельдорфа (ФРГ) в ночь с 3 на 4 апреля 1952 г. на заводе по производству хлора произошла авария. Вследствие разрыва резервуара в атмосферу попало 15 т хлора, который распространился по территории завода. В результате пять человек погибли, более двухсот получили тяжелое отравление. Оценивая масштабы загрязнения атмосферы, можно отметить, что в атмосферу ежегодно выбрасывается 300 млн. т оксида углерода, 50 млн. т оксидов азота, более 50 млн. т углеводородов, около 250 млн. т мелкодисперсных аэрозолей. Только за счет сжигания угля в энергетических установках в окружающую среду поступают некоторые химические элементы в количествах, значительно превышающих их поступление из природных источников. Так, масса ртути антропогенного происхождения превышает массу ртути, поступающей в биосферу естественным путем, в 8700 раз, мышьяка – в 125 раз, урана – в 60 раз, бериллия – в 10 раз.

86%

3.2.1. Последствия загрязнения атмосферы Во все времена загрязнения атмосферы доставляли немало неприятностей людям. Самое серьезное внимание привлекали катастрофические последствия скопления вредных веществ, сопровождавшиеся смертями и тяжелыми заболеваниями. Долина реки Маас (1930 г). Начиная с первой недели декабря 1930 г., Бельгия была покрыта густым туманом. В долине Мааса, кроме того, наблюдалась инверсия температуры. На третий день сохранения этих неблагоприятных метеорологических условий у жителей долины появились заболевания органов дыхания, шестьдесят человек умерли. Причиной катастрофы стала повышенная концентрация в воздухе оксидов серы, действие которых усиливалось наличием аэрозолей. Лондон (1952, 1956, 1957 и 1962 г.г.). Для Великобритании характерна туманная погода, сопровождающаяся инверсией температуры. В указанные годы в течение 12 часов после появления тумана отмечалось резкое повышение смертности и заболеваемости жителей Большого Лондона, вызванное накоплением в тумане вредных примесей. Образовался смог, что для многих людей, болевших хрониче109

0.1%

1%

1

2

12.9%

3

4

Рис. 3.2. Схема распределения загрязнений в воздушной среде. 1 – над океанами; 2 – над сельской местностью; 3 – над городами; 4 – над промышленными районами. На рис. 3.2 представлена схема распределения загрязнений в воздушной среде над промышленными районами, городами, сельскими местностями, океаном; основное загрязнение сосредоточено над промышленными районами и городами, т.е. как раз в районах с наибольшей плотностью населения. 110

Содержащиеся в воздухе загрязнения воздействуют на человеческий организм при контакте с поверхностью кожи или со слизистыми оболочками. Вредные газообразные вещества проникают в кровь, почки, другие жизненно важные органы. Загрязненный воздух негативно воздействует не только на живые организмы, но и на инфраструктуру урбанистической цивилизации, прежде всего разрушает здания и сооружения. Разрушение материалов происходит в результате действия абразивов (твердых частиц), грязей (твердых частиц и жидкостей) и коррозии под действием окислителей, кислот, солей и т.п. Наиболее заметным разрушающим действием загрязненного воздуха на здания является почернение их фасадов в результате осаждения сажи и пыли. Строительные материалы, из которых сложены здания, стареют под действием кислотных осадков в результате образования сульфита и сульфата кальция. Сульфит, окисляясь, также превращается в сульфат кальция. Эта соль довольно заметно растворяется в воде и вымывается дождевыми потоками. Наличие в атмосфере загрязнений в пять-десять раз ускоряет коррозию металлических крыш зданий. Загрязнение воздуха наносит большой вред сельскому и лесному хозяйству. В целом, экономический ущерб от загрязнения атмосферы для развитых стран составляет от 10 до 100 долларов США в год на человека.

3.2.2. Аэрозольное загрязнение атмосферы. Смог Аэрозоли – это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Твердые компоненты аэрозолей в ряде случаев особенно опасны для организмов, а у людей вызывают специфические заболевания, В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана мглы или дымки. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых или жидких частиц между собой или с водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 5–11 мкм. В атмосферу ежегодно поступает около 11 куб. км пылевидных частиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей. Сведения о некоторых источниках техногенной пыли приведены ниже: 111

Производственный процесс Сжигание каменного угля Выплавка чугуна Выплавка меди Выплавка цинка Выплавка олова Выплавка свинца Производство цемента

Выброс пыли, млн. т в год 93.6 20.2 6.2 0.2 0.004 0.1 53.4

Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются (ТЭС), потребляющие уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже – оксиды железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, хрома, кобальта, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, молибдена и асбест. Еще большее разнообразие свойственно органической пыли, содержащей алифатические и ароматические углеводороды, соли карбоновых кислот. Органическая пыль образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения являются промышленные отвалы – искусственные насыпи из переотложенного материала, преимущественно вскрышных пород, образуемых при добыче полезных ископаемых, или из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, электростанций и др. Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы. Так, в результате одного среднего по массе взрыва (250–300 т взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 150 т пыли. Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью. Основные технологические процессы этих производств – измельчение и химическая обработка шихт, полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов всегда сопровождается выбросами пыли и других вредных веществ в атмосферу. К атмосферным загрязнителям относятся насыщенные и ненасыщенные углеводороды, включающие 11–13 атомов углерода. Они 112

подвергаются различным превращениям, окислению, полимеризации, взаимодействуя с другим атмосферными загрязнителями, причем особенно интенсивно – в условиях высокой солнечной радиации. В результате этих реакций образуются перекисные соединения, свободные радикалы, соединения углеводородов с оксидами азота и серы, часто находящиеся в виде аэрозольных частиц. При некоторых погодных условиях могут образовываться особо большие скопления вредных газообразных и аэрозольных примесей в приповерхностном слое воздуха. Обычно это происходит в тех случаях, когда в слое воздуха непосредственно над источниками газопылевой эмиссии слои холодного воздуха располагаются под слоями теплого (наблюдается инверсия), что ограничивает перемешивание воздушных масс и перенос их вверх. В результате вредные выбросы накапливаются под слоем инверсии, их содержание резко возрастает, что становится одной из причин ранее неизвестного в природе явления – образования фотохимического тумана (смога). Последний представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц. В состав основных компонентов смога входят озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения перекисной природы, называемые в совокупности фотооксидантами. Фотохимический смог возникает в результате фотохимических реакций в приземном слое воздуха при определенных условиях: наличии в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей, интенсивной солнечной радиации, безветрии и повышенной инверсии. Такие условия возникают чаще в июне – сентябре и реже зимой. При продолжительной солнечной погоде поток солнечной радиации расщепляет молекулы NO2 с образованием NO и атомарного кислорода. Последний, реагируя с молекулярным кислородом, образует озон О3. На первый взгляд представляется, что озон, окисляя оксид азота, должен снова воспроизводить кислород и диоксид азота. Но происходит другой процесс. Оксид азота вступает в реакции с непредельными углеводородами, которые при этом расщепляются по двойной связи и образуют осколки молекул и избыток озона. В результате продолжающейся диссоциации новые массы диоксида азота расщепляются и дают дополнительные количества озона. Возникает циклическая реакция, в результате которой в атмосфере накапливается озон. Этот процесс прекращается только в ночное время. В свою очередь, озон реагирует с алкенами. В атмосфере концентрируются различные перекисные соединения, которые и образуют в сумме характерные для фотохимического смога оксиданты. Последние являются 113

источником свободных радикалов, обладающих высокой реакционной способностью. Такие смоги – нередкое явление над Лондоном, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком и другими крупными городами Европы и Америки. По своему физиологическому действию на организм человека они крайне опасны для дыхательной и кровеносной системы и часто приводят к смертельным исходам.

3.2.3. Очистка газовых выбросов Рассмотрим очистку воздуха от наиболее масштабных загрязнителей – диоксида серы и оксидов азота. Для химика проблемы очистки газовой смеси от диоксида серы не существует. В арсенале технолога простые химические реакции, известные даже школьнику. Вопрос в том, как создать экономически выгодные способы концентрирования и поглощения SO2 из огромных по масштабам потоков отходящих газов различных производств и последующей утилизации SO2 в виде необходимых для народного хозяйства серы или серной кислоты. Трудность разработки таких способов проистекает из разнохарактерности газовых выбросов различных производств. Эффективность очистки газов от SO2 зависит от следующих факторов: 1. парциальных давлений SO2 и О2 в очищаемой газовой смеси; 2. температуры отходящих газов; 3. наличия и характера твердых сопутствующих веществ; 4. объема очищаемых газов; 5. наличия в близлежащих районах доступного хемосорбента; 6. потребностью в продуктах утилизации SO2; 7. требуемой степенью очистки газа. В настоящее время для промышленной очистки рекомендовано несколько технологических схем. Известняковый процесс, основанный на использовании суспензии природного известняка, отличается простотой схемы, малыми капитальными затратами, доступностью и дешевизной хемосорбента. При поглощении SO2 происходит реакция SO2 + CaCO3 + 1/2 O2 = CaSO4 + CO2.

(3.2)

Существенным преимуществом метода является возможность очистки газа без предварительного охлаждения и обеспыливания. Вместе с тем, рассматриваемый процесс нециклический, и его применение ограничено потребностью в гипсе, а также образованием большого 114

количества шлама. Поэтому известняковый процесс используют для очистки небольших по объему газовых выбросов с низким содержанием SO2. Циклический магнезитовый метод обладает рядом несомненных достоинств. К их числу относятся высокая реакционная способность сорбента, позволяющая очищать газы с малыми содержаниями SO2, и возможность очистки больших объемов газов с получением серной кислоты и серы, а также возможность очистки неохлажденных газов. Разработаны варианты процессов, основанные на применении растворов солей натрия, калия или аммония, позволяющие очищать большие объемы газовых смесей без предварительного охлаждения и практически при любых содержаниях SO2. Это существенно облегчает эксплуатацию газоочистных установок и повышает надежность их работы. Указанные методы являются примерами использования абсорбционных процессов, наиболее перспективных для очистки газовых выбросов кислых примесей отходящих газов химической промышленности, черной и цветной металлургии. Особняком стоит проблема очистки дымовых газов тепловых электростанций. Упомянутые выше абсорбционные процессы применимы и в этом случае. Например, их применяют для очистки от SO2 на Северодонецкой и Дорогобужской ГРЭС, однако в целом проблема далека от решения, поскольку высокой остаются стоимость газоочистных установок и энергопотребление ими. В ряде городов (например, в Москве) содержание SO2 в дымовых газах ТЭС регулируют путем замены одного вида топлива другим в зависимости от сложившейся экологической обстановки. Замена топлива может дать значительный эффект, поскольку ТЭС мощностью 1 млн. кВт при работе на природном газе выбрасывает в год 20 тыс. т SO2, а при работе на каменном угле – 11 тыс. т. Другим вариантом решения проблемы является предварительная очистка топлива от серосодержащих примесей. В настоящее время в промышленном масштабе создана технология очистки нефтепродуктов от таких примесей. Снижение содержания серы на 0.5 % стоит в среднем 3 доллара США. Разработка прогрессивных технологий (например, с использованием микробиологических методов очистки) значительно снижает затраты на очистку жидкого и твердого топлива от серы. Внедрение 115

таких технологий способствовало бы решению одной из насущных проблем охраны окружающей среды. Очистка отходящих газов от оксидов азота на предприятиях химической промышленности производится на 80 %. Методы очистки основаны на восстановлении оксидов до азота на различных катализаторах. Установки каталитического восстановления работают на всех предприятиях, оборудованных современными агрегатами получения азотной кислоты. Отходящие газы производств азотной кислоты после абсорбционных колонн содержат 0.05 – 0.2 % оксидов азота по объему. Восстановление природным газом, водородом, СО или NH3 снижает их содержание в очищенном газе до 0.001 – 0.005 %, что обеспечивает соблюдение установленных санитарных норм. На ряде существующих производств азотной кислоты под давлением, а также для крупных агрегатов мощностью 400 – 440 тыс. т в год используют метод восстановительной очистки на палладиевом катализаторе, причем тепло реакции используется для получения пара. Данный метод очистки органически связан с технологией производства, и затраты на него минимальны. Интересным способом очистки является адсорбционно-десорбционный. В качестве сорбента используют силикагель или кислотостойкие цеолиты. Остаточная концентрация оксидов азота в выбросах составляет 0.001 %. К сожалению, дымовые газы ТЭС служат источником загрязнения атмосферы не только диоксидом серы, оксидами азота, но и другими вредными веществами (например, ртутью). Так, угли различных месторождений содержат в одной тонне от 50 до 500 мг ртути. Современная ТЭС средней мощности (около 1 млн. кВт в год) сжигает за сутки до 1000 т угля, выбрасывая при этом 1 кг ртути. Довольно велико загрязнение атмосферы от ТЭС радиоактивными веществами. Зола ТЭС, в том числе и летучая ее часть, содержит все изотопы урано-радиевого и ториевого семейств. Так, например, исследование воздуха в районе угольной ТЭС в Ундеус-Крик в США показало присутствие в нем всех долгоживущих радиоактивных изотопов.

116

3.2.4. Сокращение выбросов в атмосферу в коксохимическом производстве 3.2.4.1. Нормирование выбросов предприятий Одним из крупных загрязнителей атмосферы является коксохимическое производство. В Украине ведутся интенсивные исследования, преследующие цель снизить его экологический вред, причем наиболее заметные результаты достигнуты в научных и проектных организациях г. Харькова. Рассмотрим основные современные концепции нормирования загрязнений окружающей среды предприятиями коксохимической промышленности и технические решения, направленные на создание экологически безопасных условий производства [14]. Принятая в Украине и странах СНГ методика нормирования выбросов базируется на концепции ПДК в атмосферном воздухе населенных мест (табл. 3.1). Нормирование выбросов загрязняющих веществ в атмосферу предприятием производят путем установления предельно допустимых выбросов этих веществ (ПДВ). ПДВ устанавливают для каждого источника загрязнения атмосферы из условия, что выбросы данного источника и совокупности источников предприятия, а также других источников не создадут в приземном слое атмосферы концентраций, превышающих уровень ПДК. Нормативы ПДВ для предприятий рассчитывают как сумму значений ПДВ для отдельных источников загрязнения. Если в атмосфере населенного пункта концентрации вредных веществ превышают ПДК, а значения ПДВ по объективным причинам не могут быть достигнуты, вводят поэтапное снижение выбросов до значений, обеспечивающих соблюдение ПДВ. На каждом этапе до достижения величин ПДВ устанавливаются временные согласованные выбросы вредных веществ (ВСВ). Работы, связанные с установлением ВСВ для действующего предприятия, осуществляют в следующем порядке. На первом этапе проводят путем замеров инвентаризацию выбросов и получают сведения о распределении источников по территории предприятия, количестве и составе выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и характеристиках газоочистных и пылеулавливающих установок.

117

На втором этапе планируют природоохранные мероприятия для достижения ПДВ. На третьем этапе с помощью специальных компьютерных программ рассчитывают концентрации загрязняющих веществ в атмосфере жилых районов от выбросов данного предприятия и сопоставляют их с соответствующими значениями ПДК. При этом учитывают фоновое загрязнение, создаваемое источниками выброса данного населенного пункта. Если по результатам для всех загрязняющих веществ значения приземных концентраций ниже уровня ПДК, то данный объем выбросов утверждается министерством охраны окружающей природной среды в качестве норматива предприятия. Имеющийся опыт расчетов свидетельствует, что достижение нормативов ПДВ на коксохимических предприятиях обеспечивается при показателе суммарных выбросов 2–2.5 кг/т кокса. Резкое ужесточение экологических требований в странах СНГ происходит в последние годы на фоне прогрессирующего физического износа коксовых батарей. При этом показатель удельных выбросов вредных веществ на тонну производимого кокса сохраняется в пределах от 4–5 кг/т кокса для заводов, модернизированных в 80-х годах, до 8–10 кг/т для устаревших заводов. С учетом этой ситуации, а также большого дефицита в Украине сырьевых ресурсов, приоритетными направлениями в развитии коксохимической промышленности считают а) максимальное извлечение компонентов и б) снижение вредных выбросов в атмосферу [14]. 3.2.4.2. Сокращение выбросов в атмосферу при производстве кокса В коксохимическом производстве наиболее крупным источником загрязнения атмосферы является коксовый блок. Основная часть загрязнений попадает в атмосферу из работающего коксового цеха в периоды между технологическими циклами, когда коксовые печи открываются для выдачи готового кокса и последующей загрузки угольной шихтой. Чем больше объем и производительность коксовых печей, тем меньше удельные выбросы из них в расчете на тонну производимого кокса. Сокращение вредных выбросов в атмосферу на коксовых заводах может быть достигнуто за счет – уменьшения количества технологических циклов при повышении единичной мощности коксовых батарей; – сокращения выбросов дымовых труб путем глубокой очистки отопительного коксового газа от сероводорода и циа118

нистого водорода, а также совершенствования системы обогрева коксовых печей; – совершенствования процессов тушения кокса. В условиях значительного сокращения государственных инвестиций возможным решением является перекладка коксовых батарей в существующих габаритных размерах. Однако, как показывает практика, с экологической точки зрения это решение не является лучшим, так как достигаемое снижение вредных выбросов не превышает 30 %. В данном случае экономический приоритет вступает в противоречие с экологическим. Следует также учитывать, что с принятием нового природоохранного законодательства и установления жестких финансовых санкций за превышение установленного норматива выбросов экологические показатели начинают самым серьезным образом влиять на экономическое положение предприятия. Некоторые коксохимические заводы Украины уже достаточно остро столкнулись с этой проблемой. В связи с этим основой концепции повышения экологической безопасности коксохимического производства должно стать укрупнение коксовых батарей с одновременным уменьшением их количества при сохранении объема производства кокса. Практика ряда реконструируемых заводов подтверждает эффективность этого направления. Например, строительство батарей увеличенной мощности с объемом камер 41.6 м3 на некоторых заводах позволило вывести из эксплуатации по две устаревшие батареи, наносившие большой экологический ущерб. Сохранив прежний объем производства, эти предприятия сократили загрязнение атмосферы на 50 %. В настоящее время ведется разработка коксовых батарей с еще большими объемами камер коксования, в частности с объемом 63.4 м3. На степень загрязнения атмосферы в жилых районах и непосредственно на территории завода влияют небольшие по объему, но весьма токсичные неорганизованные выбросы коксовых батарей (содержат нафталин, аммиак, цианистый водород, сероводород, фенол). Эти выбросы происходят, как правило, в приземном слое и медленно рассеиваются. Чтобы уменьшить опасность неорганизованных выбросов в атмосферу, в проектах новых коксовых батарей предусматривается использовать сбросные трубы газоочистки высотой 40 м. Основной объем выбросов коксохимических заводов приходится на дымовые трубы коксовых батарей. Для заводов Украины, использующих для обогрева печей коксовый газ, серьезную про119

блему представляют выбросы диоксида серы, т.к. содержание сероводорода в неочищенном коксовом газе доходит до 18 г/м/3 из-за высокого содержания серы в углях. Поэтому практически все коксохимические заводы Украины имеют цеха очистки коксового газа от сероводорода. Используются две технологии улавливания сероводорода – круговой сорбционно-десорбционный вакуум-карбонатный метод и мышьяково-содовый метод, основанный на окислении сероводорода в элементарную серу. В последние годы разработаны технологии улавливания сероводорода в две ступени до остаточного содержания 0.5 г/м3. При этом будет происходить глубокая очистка коксового газа от цианистого водорода до содержания 0.15 г/м3, что позволит существенно сократить выбросы оксидов азота при сжигании газа в отопительной системе коксовых батарей. На ряде предприятий предусматривается реализовать технологические схемы глубокой переработки коксового газа с получением метанола и последующей переработкой его в экологически чистый синтетический бензин. 3.2.4.3. Природоохранные мероприятия при тушении кокса Одним из важнейших факторов повышения экологической безопасности коксохимического производства является радикальное сокращение выбросов при тушении кокса. Наиболее перспективным направлением в решении этой проблемы является дальнейшее совершенствование технологии сухого тушения кокса. В коксохимической промышленности СНГ накоплен большой опыт эксплуатации установок сухого тушения кокса (УСТК) конструкции института ГИПРОКОКС (г. Харьков). Многолетние исследования показали, что потенциально УСТК является экологически безопасным агрегатом при условии соблюдения технологического режима и осуществления комплекса технических решений по герметизации УСТК и очистке выбросов. Практически единственной проблемой при использовании УСТК остаются выбросы оксида углерода, источником которого являются свечи избыточного циркуляционного газа и разгрузочные устройства камер тушения. Обезвреживание выбросов избыточного циркуляционного газа обеспечивается подключением свечи к газопроводу сырого коксового газа или сжиганием выбросов в специальной печи с последующей утилизацией тепла. Технология безводного тушения кокса совершенствуется по нескольким направлениям: 120

– повышение производительности камер тушения УСТК (разработан проект блока производительностью 200 т/ч); – разработка технологии контактного тушения кокса с утилизацией тепла посредством водоохлаждаемых панелей, контактирующих с горячим коксом; – освоение технологии совмещенного процесса термоподготовки угля и тушения кокса, где тушение кокса осуществляется путем съема тепла холодной угольной шихтой при непосредственном контакте. Отмечая преимущества сухого тушения кокса, следует в то же время отметить, что большой объем кокса тушится традиционным мокрым способом. В связи с этим совершенствуется и процесс мокрого тушения кокса. Ведется работа как по разработке новых конструкций тушильных устройств, так и по повышению качества воды, используемой для тушения. Институтом ГИПРОКОКС разработана новая конструкция тушильной башни конфузорно-диффузорного типа высотой 40 м. Эффект данной конструкции заключается в снижении капельного уноса вследствие выпадения крупных капель при резком уменьшении скорости потока в диффузорной части башни. Сравнительные исследования процессов тушения кокса в башнях традиционной и новой конструкций показали, что безвозвратные потери воды для конфузорнодиффузорной башни составляют 0.35 т/т кокса, что на 1/3 ниже потерь для башни с традиционной конструкцией. Характер вредных выбросов при тушении кокса определяется составом подаваемой воды. На отдельных заводах в процессе тушения используют техническую воду. Однако подавляющее большинство заводов применяет сточную воду, прошедшую биохимическую очистку от фенолов, аммиака, роданидов и других загрязнителей. При этом утилизация очищенных сточных вод в процессе мокрого тушения кокса является важнейшим фактором, обеспечивающим ликвидацию или минимизацию сброса стоков за пределы коксохимического предприятия. В табл. 3.3. приведены данные о выбросах в атмосферу установки сухого тушения кокса с учетом осуществления полного комплекса природоохранных мероприятий и башен мокрого тушения кокса при использовании очищенной сточной воды. 121

Сопоставление приведенных показателей свидетельствует о том, что степень агрессивности выбросов при сухом тушении значительно ниже, чем при мокром. Таблица 3.3. Выбросы при сухом и мокром тушении кокса Сухое тушение Наименование Удельные ингредиента выбросы, г/т кокса Пыль 15.6 Оксид 88 углерода

Мокрое тушение Наименование Удельные ингредиента выбросы, г/т кокса Пыль 77.3 Оксид 38 углерода Аммиак 6.6 Фенол 4.1 Цианистый 0.2 водород Сероводород 2.1

3.2.4.4. Ликвидация или сокращение выбросов в химических цехах Процессы улавливания и переработки химических продуктов коксования сопровождаются выбросом в атмосферу специфических вредных веществ, влияющих на здоровье населения и состояние окружающей среды. Так, градирня конечного охлаждения коксового газа является крупнейшим источником выбросов нафталина – до 200 т/год. Необходимо сокращать выбросы бензола, каменноугольной смолы, бенз[а]пирена, нафталина и других канцерогенов. Что касается проблемы уменьшения выбросов при переработке сырого бензола и каменноугольной смолы, то эффективный путь ее решения состоит в максимальной централизации переработки этих продуктов. Особенно актуально это для Украины, где переработку каменноугольной смолы осуществляют в восьми цехах, а переработку сырого бензола – в семи цехах разных заводов. Экологический эффект от закрытия маломощных устаревших цехов многократно превысит затраты на строительство централизованных производств. Кратко остановимся на проблеме бенз[а]пирена. Известно, что содержание этого опаснейшего канцерогена в каменноугольной 122

смоле доходит до 1 %, а в каменноугольном пеке – до 1.5 %. Исследования, выполненные на одном из заводов Украины, показали, что объем выбросов бенз[а]пирена в смолоперерабатывающем и пекокосовом цехах достигает 50 % от общего объема выбросов бенз[а]пирена в целом по заводу. Таблица 3.4. Снижение выбросов в вредных веществ в атмосферу на коксохимических заводах Украины до 2010 г., т/год Заводы Авдеевский Алчевский Горловский Енакиевский Донецкий Мариупольский Стахановский Ясиновский Макеевский Днепропетровский Днепродзержинский Криворожский Баглейский Запорожский Харьковский Фенольный Итого

Существующее положение 55664 18246 12030 8079 9126 18235 1406 22500 12838 5073 12418 31834 20577 5986 3898 1376 239287

2010 г. 11080 2560 2070 2710 1470 4810 – 6980 – 1222 1110 5230 1725 2490 251 460 44168

–

первичное охлаждение коксового газа при пониженной температуре (20 оС), что позволит добиться глубокого извлечения нафталина из коксового газа в начале газового тракта и свести к минимуму выбросы нафталина на последующих стадиях улавливания и переработки химических продуктов коксования; – совершенствование технологии переработки нафталиновой фракции, в частности, переход на производство технического нафталина методом ректификации нафталиновой фракции в закрытой аппаратуре; – исключение выбросов градирни оборотной воды цикла конечного охлаждения коксового газа путем перехода на охлаждение в закрытой теплообменной аппаратуре. Реализация описанных в настоящем разделе технических решений и комплекса мероприятий по защите окружающей среды позволит сократить вредные выбросы коксохимических производств в 5.4 раза – с 239 до 44 тыс. т (табл. 3.4) [14]. Будет обеспечено достижение нормативов ПДВ на всех коксохимических предприятиях Украины.

3.2.5. Проблема озонового слоя

При этом крупнейшим источником выбросов (~80 %) являются стояки пекококсовых печей при открывании перед выдачей кокса и при прожиге графита в камере после его выдачи. В настоящее время на пекококсовых печах завода в Запорожье внедрена установка обезвреживания, позволяющая уловить выбросы стояков при выполнении этих операций и обеспечить степень очистки от бенз[а]пирена до 90 %. Выбросы нафталина на большинстве заводов значительно превышают ПДК (0.003 мг/м3). Для сокращения выбросов предусматриваются следующие мероприятия: 123

В 1985 г. специалисты по исследованию атмосферы из Британской Антарктической Службы сообщили о неожиданном факте: содержание озона в атмосфере над станцией Халли-Бей в Антарктиде уменьшилось за период с 1977 по 1984 г. на 40 %. Вскоре этот вывод подтвердили другие исследователи, показавшие также, что область пониженного содержания озона простирается за пределы Антарктиды и по высоте охватывает слой от 12 до 24 км, т.е. значительную часть нижней стратосферы. Наиболее подробным исследованием озонного слоя над Антарктидой был международный самолетный антарктический озоновый эксперимент. Ученые из четырех стран несколько раз поднимались в область пониженного содержания озона и собирали детальные сведения о ее размерах и проходящих в ней химических процессах. Выяснилось, что в полярной атмосфере имеется озонная «дыра», причем содержание озона над Антарктидой неуклонно снижается (рис. 3.3). В начале 80-х годов по измерениям из космоса аналогичная дыра была обнаружена и в Арктике. Эта дыра охватывала значи124

тельно меньшую площадь, и падение уровня озона в ней было не так велико – около 9 %. В среднем по Земле с 1979 по 1995 г. содержание озона упало на 7 %.

1955

1965

1975

1985

1995

Годы Рис. 3.3. Изменение толщины озонового слоя над станцией Халли-Бей (Антарктида) (усредненные данные за октябрь). Открытие озоновых дыр обеспокоило как ученых, так и широкую общественность, поскольку из него следовало, что слой озона, окружающий нашу планету, находится в большей опасности, чем считалось ранее. Утончение этого слоя может привести к серьезным последствиям для человечества. Содержание озона в атмосфере менее 0.0001%, однако именно озон полностью поглощает жесткое ультрафиолетовое (УФ) излучение Солнца с длиной волны λ < 280 нм и значительно ослабляет излучение с 280 < λ < 315 нм, наносящее серьезные поражения клеткам живых организмов. Падение концентрации озона на 1% приводит в среднем к увеличению интенсивности жесткого ультрафиолетового излучения у поверхности земли на 2%. Это излучение обладает достаточной энергией для разрушения ДНК и других органических молекул, что может вызвать рак кожи, в особенности быстротекущую злокачественную меланому, катаракту и иммунную недостаточность. Уже сейчас во всем мире заметно уве125

личение числа заболеваний раком кожи, однако нет достоверных данных, позволяющих приписать этот феномен уменьшению содержания озона. Жесткое ультрафиолетовое излучение плохо поглощается водой и поэтому представляет большую опасность для морских экосистем. Эксперименты показали, что планктон, обитающий в приповерхностном слое, при увеличении интенсивности жесткого УФ-излучения может серьезно пострадать и даже погибнуть полностью. Планктон находится в основании пищевых цепей практически всех морских экосистем, поэтому опасности подвергаются все морские организмы. Растения менее чувствительны к жесткому УФ-излучению, но при увеличении дозы могут пострадать и они. Если содержание озона в атмосфере значительно уменьшится, человечество найдет способ защититься от жесткого УФ-излучения, но при этом рискует умереть от голода. Благодаря многолетним исследованиям большой группы ученых, начатым еще в 1930 г. британским физиком С. Чэпменом, к настоящему времени поняты основные стадии механизма образования и разрушения озона в атмосфере [15, 16]. Весомый вклад в атмосферную химию, в особенности в исследование проблемы озонового слоя, ученых Поля Крутцена (ФРГ), Марио Молина (США) и Ф. Шервуда Роуленда отмечен Нобелевской премией по химии 1995 г. Обсудим современные представления о химизме образования и разрушения озона в атмосфере. Образование озона описывается уравнением реакции О 2 + O = О 3.

(3.3)

Необходимый для этой реакции атомарный кислород выше уровня 20 км образуется при расщеплении кислорода под действием ультрафиолетового излучения с λ<240 нм O2 + hν = 2 O. (3.4) Ниже этого уровня атомы кислорода образуются, в основном, при фотодиссоциации диоксида азота (3.5) NO2 + hν = O + NO под действием мягкого ультрафиолетового излучения с λ < 400 нм. Разрушение молекул озона происходит при их попадании на частицы аэрозолей или на поверхность земли, но основной сток озона определяют циклы каталитических реакций в газовой фазе: O3 + X = XO + O2, 126

(3.6)

O + XO = X + O2,

(3.7)

где X = NO, OH, Cl, Br. Впервые мысль об опасности разрушения озонного слоя была высказана еще в конце 1960-х годов. Тогда считалось, что основную опасность для атмосферного озона представляют выбросы водяного пара и оксидов азота (NOх) из двигателей сверхзвуковых транспортных самолетов и ракет. Однако сверхзвуковая авиация развивалась значительно менее бурными темпами, чем предполагалось. В настоящее время в коммерческих целях используется только «Конкорд», совершающий несколько рейсов в неделю между Америкой и Европой, из военных самолетов в стратосфере летают практически только сверхзвуковые стратегические бомбардировщики, такие как B1 или Ту-160, и разведывательные самолеты. Такая нагрузка не представляет серьезной угрозы для озонового слоя. Выбросы оксидов азота с поверхности земли в результате сжигания ископаемого топлива и массового производства и применения азотных удобрений также представляет определенную опасность для озонного слоя, но оксиды азота нестойки и редко достигают высших слоев атмосферы. Запуски ракет также происходят не очень часто, хотя хлоратные твердые топлива, используемые в современных космических системах, например в твердотопливных ускорителях «Спейс-Шаттл» или «Ариан», могут наносить серьезный локальный ущерб озоновому слою в районах запуска. В 1974 г. М. Молина и Ф. Роуленд опубликовали в самом известном научном журнале «Nature» («Природа») статью, в которой доказали, что хлорфторуглероды (ХФУ) могут вызывать разрушение озона. Начиная с этого времени, хлорфторуглеродная проблема стала одной из основных в исследованиях по загрязнению атмосферы. Хлорфторуглероды уже более 60 лет используются как хладагенты в холодильных установках и кондиционерах, пропелленты для аэрозольных смесей, пенообразующие агенты в огнетушителях, очистители для электронных приборов и т.д.. Еще недавно из-за своей нетоксичности и высокой стабильности они рассматривались как идеальные для практического применения химические вещества. Именно инертность этих соединений делает их опасными для атмосферного озона. ХФУ не распадаются в тропосфере (нижнем слое атмосферы, который простирается от поверхности земли до высоты 10 км), как это происходит, например, с большей частью оксидов азота, и в конце концов проникают в стратосферу. Когда молекулы ХФУ под127

нимаются до высоты примерно 25 км, где концентрация озона максимальна, они подвергаются интенсивному воздействию ультрафиолетового излучения, которое не проникает ниже из-за экранирующего действия озона. Ультрафиолет разрушает устойчивые в обычных условиях молекулы ХФУ, которые распадаются на компоненты, обладающие высокой реакционной способностью, в частности, атомарный хлор. Таким образом, ХФУ переносят хлор с поверхности Земли в стратосферу, к слою с наибольшей концентрацией озона. Хлор при разрушении озона действует подобно катализатору: в ходе химического процесса его количество не уменьшается. Вследствие этого один атом хлора может разрушить до 100 000 молекул озона, прежде чем будет дезактивирован или вернется в тропосферу. Сейчас выбросы ХФУ в атмосферу составляют миллионы тонн, но даже в случае полного прекращения производства и использования ХФУ немедленного результата достичь не удастся: действие уже попавших в атмосферу ХФУ будет продолжаться несколько десятилетий. Считается, что время жизни в атмосфере для двух наиболее широко используемых ХФУ фреон-11 и фреон-12 составляет 75 и 100 лет соответственно. Оксиды азота способны разрушать озон, однако они могут реагировать и с хлором. Важной является реакция ClO + NO2 = ClONO2,

(3.8)

продукт которой служит резервуаром хлора. В этом соединении хлор не активен и не реагирует с озоном. В конце концов, молекула ClONO2 может поглотить фотон или вступить в реакцию с какой-нибудь другой молекулой и высвободить хлор, но она также может и покинуть стратосферу. Расчеты показывают, что если бы в стратосфере отсутствовали оксиды азота, то разрушение озона шло бы намного быстрее. Другим важным резервуаром хлора является хлористый водород HCl, образующийся при реакции атомарного хлора и метана СН4. Многие страны начали принимать меры, направленные на сокращение производства и использования ХФУ. С 1978 г. в США было запрещено использование ХФУ в аэрозолях. К сожалению, использование ХФУ в других странах и сферах использования ограничено не было. В сентябре 1987 г. 23 ведущие страны мира подписали в Монреале протокол, обязывающую их снизить потребление ХФУ. Согласно достигнутой договоренности, развитые страны должны к 1999 г. снизить потребление ХФУ до половины уровня 1986 г. Учи128

тывая недостаточность мер, предусмотренных Монреальской конвенцией, государства – основные производители ХФУ, позднее договорились о полном прекращении их выпуска.

Рис. 3.4. Изменение содержания ХФУ в атмосфере: a) без ограничений на производство; b) при ограничениях в соответствии с Монреальским протоколом 1987 г.; c) при полном прекращении производства. К сожалению, даже при соблюдении этой договоренности изза малой скорости разложения ХФУ в атмосфере их содержание еще долго будет превышать безопасный уровень (рис. 3.4). Для использования в качестве пропеллента в аэрозолях уже найден заменитель ХФУ – пропан-бутановая смесь. По физическим параметрам она практически не уступает фреонам, но, в отличие от них, огнеопасна. Тем не менее, такие аэрозоли уже производятся во многих странах, в том числе и в Украине. Сложнее обстоит дело с холодильными установками – вторым по величине потребителем фреонов. Дело в том, что из-за полярности молекулы ХФУ имеют высокую теплоту испарения, что очень важно для рабочего тела в холодильниках и кондиционерах. Лучшим известным на сегодня заменителем фреонов является аммиак, но он токсичен и уступает ХФУ по физическим параметрам. Неплохие результаты получены для полностью фторированных углеводородов. Во многих странах ведутся раз129

работки новых заменителей, и уже достигнуты определенные практические результаты, но полностью проблема еще не решена. Использование фреонов продолжается, и пока далеко даже до стабилизации уровня ХФУ в атмосфере. Так, по данным сети глобального мониторинга изменений климата, в фоновых условиях – на берегах Тихого и Атлантического океанов и на островах, вдали от промышленных и густонаселенных районов – концентрация фреонов-11 и 12 в настоящее время растет со скоростью 5 – 9 % в год. Содержание в стратосфере фотохимически активных соединений хлора в настоящее время в два – три раза превышает уровень 50-х годов. Вместе с тем, ранние прогнозы, предсказывающие, например, что при сохранении современного уровня выброса ХФУ, к середине XXI в. содержание озона в стратосфере может упасть вдвое, возможно, были слишком пессимистичны. Во-первых, дыра над Антарктидой во многом является следствием метеорологических процессов. Образование озона возможно только при наличии ультрафиолета и во время полярной ночи не идет. Зимой над Антарктикой образуется устойчивый вихрь, препятствующий притоку богатого озоном воздуха из средних широт. Поэтому к весне даже небольшое количество активного хлора способно нанести серьезный ущерб озонному слою. Такой вихрь практически отсутствует над Арктикой, поэтому в северном полушарии падение концентрации озона значительно меньше. Многие исследователи считают, что на процесс разрушения озона оказывают влияние полярные стратосферные облака. Эти высотные облака, которые гораздо чаще наблюдаются над Антарктикой, чем над Арктикой, образуются зимой, когда при отсутствии солнечного света и в условиях метеорологической изоляции Антарктиды температура в стратосфере падает ниже -80°. Можно предположить, что соединения азота конденсируются, замерзают и остаются связанными с облачными частицами и поэтому лишаются возможности вступить в реакцию с хлором. Возможно также, что облачные частицы способны катализировать распад озона и резервуаров хлора. Все это говорит о том, что ХФУ способны вызвать заметное понижение концентрации озона только в специфических атмосферных условиях Антарктиды, а для заметного эффекта в средних широтах концентрация активного хлора должна быть намного выше. Во-вторых, при разрушении озонового слоя жесткое УФ-излучение начнет проникать глубже в атмосферу. Но это означает, что образование озона будет происходить по-прежнему, но только немного ниже, в области 130

с большим содержанием кислорода. Правда, в этом случае озоновый слой будет в большей степени подвержен действию атмосферной циркуляции. Хотя первые мрачные оценки были пересмотрены, это не означает, что проблемы нет. Скорее стало ясно, что нет немедленной серьезной опасности. Даже наиболее оптимистичные оценки предсказывают при современном уровне выброса ХФУ в атмосферу серьезные биосферные нарушения во второй половине XXI в., поэтому сокращать использование ХФУ по прежнему необходимо. Таким образом, проблема чистого воздуха имеет всеобщий и неотложный характер. Загрязнение атмосферы трудно локализовать и, как результат, события, происходящие в одной стране, влияют на экологическую обстановку в других странах. Уже сейчас США не хватает «собственного» кислорода, и жизнь этой огромной индустриальной страны поддерживается за счет кислорода лесов Мексики и Бразилии. Активные мероприятия по защите атмосферного воздуха от загрязнений приносят некоторые результаты. Например, согласно результатам мониторинга, в воздухе 56 % крупнейших городов мира содержание SO2 стабилизировалось, а еще в 26 % – стало снижаться по сравнению с уровнем начала 70-х годов.

3.3. Проблема чистой воды 3.3.1. Масштабы и последствия загрязнения природных вод Расход чистой воды на Земле составляет около 40 % речных стоков. При сохранении существующих темпов загрязнения водных бассейнов и предполагаемого роста водопотребления в начале XXI века все мировые запасы чистых пресных вод могут оказаться исчерпанными. Вода становится одним из дефицитных природных ресурсов. Главная причина истощения водных резервов – сброс неочищенных промышленных и сельскохозяйственных стоков в общие источники чистой воды. Сброс делает непригодным к потреблению в тысячи раз большее количество воды, чем безвозвратное промышленное потребление. Так, еще недавно многие крупные города (например, Вена, Будапешт, Бухарест) сбрасывали в Дунай неочищенные бытовые 131

стоки; значительная часть бытовых стоков Парижа поступала в Сену; в США 20 млн. т отходов в виде различных химических веществ сбрасывались ежегодно в озеро Верхнее, превращенное в отстойник сточных вод; на протяжении десятилетий воды Рейна ежегодно несли в океан до 24 млн. т вредных отходов. В загрязнении водоемов значительную роль сыграло сельское хозяйство. Известно, что Япония, где на душу населения приходится всего 0.067 га пахотных земель, достигла самообеспечения важнейшими продуктами питания (отдача земель в Японии втрое превышает отдачу земель в США) благодаря широкому использованию удобрений. Значительная часть удобрений не усваивается растениями и смывается дождями и талыми водами в реки и водохранилища. В последних, благодаря обильному питанию, развиваются водоросли, в особенности короткоживущие сине-зеленые, при разложении которых выделяется отравляющий водоемы сероводород. В результате загрязнения водоемов особенно велик ущерб для рыбного хозяйства. Сброс неочищенных сточных и промышленных вод приводит к уничтожению мест нереста промысловых рыб и их кормовых баз. Чрезвычайно тревожно загрязнение водоемов химическими веществами, применяемыми для борьбы с вредителями растений. Применение пестицидов, например ДДТ, принесло человечеству определенную пользу. Так, использованию ДДТ мы обязаны победами над малярией (только на Шри Ланке широкое применение ДДТ снизило за год смертность населения на 34 %). Вместе с тем, быстро обнаружились и негативные последствия использования пестицидов – уничтожение полезных насекомых и птиц, появление устойчивых популяций вредителей. Так, в 1964 г. ученые обнаружили по меньшей мере 140 видов насекомых, устойчивых к инсектицидам, причем 80 видов были переносчиками болезней. Кроме того, пестициды, накапливаются в опасных количествах в организмах: попав в пищевые цепи, они концентрируются в организмах рыб, птиц и высших животных в концентрациях, на порядки превышающих фоновые содержания. Глубокую озабоченность вызывает загрязнение Мирового океана в результате сброса промышленных стоков и аварий нефтяных танкеров. Нефть тонким слоем покрывает поверхность воды, прекращая доступ в воду кислорода и вызывая массовую гибель морских организмов. Тоннаж танкерного флота растет, увеличивается 132

средняя грузоподъемность танкеров, все больше нефтяных скважин появляется на морском шельфе. В результате аварий большое количество нефтепродуктов попадает в океан. В 1962–1989 г.г. в результате аварий в морскую среду поступило около 2 млн. т нефти, с промышленными и бытовыми отходами ежегодно поступает еще 2.5 млн. т. О масштабах проблемы говорят наблюдения экспедиции Тура Хейердала, сорок дней плывшей по атлантическим водам, сплошь покрытым нефтяной пленкой. Возвращаясь к загрязнениям местных рек и водоемов, нельзя не отметить периодически возникающие чрезвычайные ситуации, связанные со вспышками холеры. Инфекция очень часто распространяется через воду. В Советском Союзе эпидемия холеры была зафиксирована в 1965 г. в Каракалпакии и на юге Украины. Спустя пять лет вспышки этого заболевания наблюдались в Астрахани, Керчи, Одессе, Батуми. Очаги были подавлены, и в течение многих лет регистрировались лишь единичные случаи холеры. Начиная с 1992 г., вновь отмечают наступление этого опасного инфекционного заболевания. Случаи болезни зафиксированы в Москве, Херсонской, Николаевской, Одесской областях, в Крыму. Вирулентные возбудители холеры почти каждый год обнаруживаются в водах рек бассейна Северского Донца, в том числе и на территории Харьковской области. Благоприятными условиями для распространения холеры служит высокий уровень бактериального загрязнения рек и водоемов, аварии очистных сооружений, сброс недоочищенных канализационных вод в реки. Современный уровень техники и технологии очистки сточных вод обеспечивает получение воды практически любой степени чистоты. Следовательно, загрязнение водоемов происходит по причинам экономического, а не технического характера. Необходимо довести затраты на регенерацию сточных вод до уровня, не превышающего затрат на сооружение водозабора, транспортировку воды, водоподготовку и очистку стоков перед сбросом в водоемы. К сожалению, до сих пор чистая вода рассматривалась как природный дар, не имеющий цены. В настоящее время во многих развитых странах установили цену на воду из природных источников. Это, несомненно. способствует внедрению систем оборотного водоснабжения, наиболее рационального способа защиты водоемов от загрязнения. 133

3.3.2. Водооборотный цикл – наиболее рациональный способ защиты водоемов Стоимость очистки сточных вод до предельно допустимых концентраций загрязнителей даже после значительного разбавления весьма высока. Если принять стоимость очистки на 90 % за единицу, то очистка на 99.9 % будет стоить в 100 раз дороже, а именно она чаще всего требуется для сброса в водоемы. Поэтому частичная очистка сточных вод, достаточная для их повторного использования в производстве, во многих случаях оказывается дешевле их полной очистки до санитарных норм. В экологическом отношении водооборот также значительно более эффективен, чем прямоточная система водоснабжения. Чем меньше свежей воды потребляется предприятием на 1 т сырья или продукта, тем экологически совершеннее его система водоснабжения. Наиболее рационально организовано использование воды в нефтехимической промышленности, в то время как пищевая, легкая промышленность, теплоэнергетика недостаточно ответственно относятся к использованию водных ресурсов. Критерием рационального водопотребления является кратность использования воды (σ – отношение общего объема воды к потреблению свежей воды, рассчитанное на единицу стоимости продукции) (табл. 3.5). Таблица 3.5. Кратность использования воды в некоторых отраслях народного хозяйства Отрасль σ Нефтехимическая промышленность 6.96 Химическая промышленность 4.77 Черная металлургия 4.66 Пищевая промышленность 3.07 Легкая промышленность 1.25 Создание экономически рациональных замкнутых систем водного хозяйства является весьма трудной с экологической точки зрения задачей. Сложный физико-химический состав сточных вод, разнообразие примесей, их взаимодействие друг с другом делают невозможным подбор универсальной схемы. Принципиальная схема водооборотного водоснабжения включает следующие этапы: 1) забор 134

воды из природного источника; 2) перекачка воды насосами в циркуляционную систему; 3) пополнение системы оборотной водой; 4) водоиспользование; 5) охлаждение и очистка оборотной воды, подающейся насосами на пополнение системы. На стадиях 4) и 5) происходят потери воды, которые и обусловливают необходимость забора некоторого количества воды из природных источников. При создании водооборотной схемы необходимо, прежде всего, определить требования к качеству воды, используемой в технологических процессах. Очень часто оказывается, что возможно многократное использование воды без очистки или с частичной очисткой, в зависимости от требований к качеству воды для различных технологических операций. Из множества методов оценки загрязнения водоемов наиболее точным является биотестирование, т.к. с помощью химических методов невозможно оценить биологический эффект от взаимодействия попавших в воду веществ. Тестовыми объектами для определения токсичности сточных вод чаще всего выступают дафнии или циклопы при анализе пресных вод и артемии – при анализе морской воды. Экологически эффективнее в ряде случаев оказываются замкнутые циклы водного хозяйства не отдельного предприятия, а крупного комплекса или района. В настоящее время около 70 % потребности предприятий в воде на производственные нужды уже обеспечивается из систем водооборотного и повторного водоснабжения.

3.3.3. Основные методы очистки сточных вод Легче всего удалить из сточных вод органические вещества, труднее – соли. На 9000 крупных действующих в странах СНГ очистных комплексах из сточных вод извлекается 90 % органических соединений, а также 20–40 % неорганических. Удаляют соли несколькими методами: дистилляцией, вымораживанием, электродиализом, обратным осмосом, ионообменной очисткой. Дистилляция является наиболее хорошо освоенным и широко применяемым методом. Самые сложные из имеющихся установок такого типа очищают 15–36 м3 воды в сутки. Главный их недостаток – большой расход энергии (не менее 60–70 кВт⋅ч на 1 т чистой воды). Тем не менее, в Гонконге и Кувейте построены дистилляционные ус135

тановки большой мощности (180 тыс. м3 в сутки). В Казахстане на побережье Каспийского моря работает установка производительностью 120 тыс. м3 в сутки и проектируется установка мощностью до 1 млн. м3 в сутки. Себестоимость воды составляет примерно 0.20 $ за 1 м3. Вымораживание как способ очистки имеет определенные технологические и энергетические преимущества: не надо проводить предварительную подготовку воды, бороться с накипью, можно использовать дешевые конструкционные материалы. Однако процесс отличается значительной сложностью аппаратурного оформления, контроля и эксплуатации по сравнению с другими методами. Электродиализ основан на направленном переносе ионов диссоциированных солей к электродам под действием постоянного электрического тока через селективные мембраны, изготовленные из естественных или синтетических ионообменников. При прохождении тока через пакет мембран катионы перемещаются к катоду, а анионы – к аноду. Поскольку катионообменные мембраны пропускают только катионы, а анионообменные – анионы, камеры поочередно обогащаются и обедняются электролитом. В результате исходный раствор удается разделить на два потока – обессоленный и концентрированный. Метод позволяет не только разделить стоки на чистую воду и концентрированный раствор солей, но и превратить растворы солей в кислоты и щелочи. Обратный осмос – это разделение водных растворов путем фильтрования через полупроницаемые мембраны под давлением. Его преимущества – малые энергозатраты, простота изготовления, монтажа и эксплуатации установок, малые их габариты. В мире методом обратного осмоса обессоливают более 3 млн. м3 в сутки. В ряде стран освоено производство малых опреснительных установок производительностью до 1 тыс. м3 в сутки, созданы необходимые условия для широкого внедрения установок обратного осмоса для опреснения соленых вод (налажено производство плоских полупроницаемых мембран, разработана технология гиперфильтрационных полых волокон, схемы и конструкции опреснительных установок). Мембранные методы обессоливания значительно эффективнее дистилляционных, т.к. удельные капитальные вложения для них в 1.75 – 2 раза меньше, а стоимость очищенной воды в 2 – 2.5. раза ниже. Ионообменная очистка основана на использовании ионообменных смол с их последующей регенерацией. Этот метод приме136

няют для приготовления глубоко очищенной воды для электростанций с паровыми котлами высокого, сверхвысокого и критического давления, а также для получения ультрачистой воды для химической, электронной и некоторых других видов промышленности. Основным недостатком общепринятых технологических схем ионообменной очистки является то, что к извлекаемым из очищаемой воды солям прибавляется большое количество солей, образующихся в процессе регенерации ионитов. Кроме того, эти схемы тратят 20 – 60 % получаемой чистой воды на собственные нужды и требуют тщательной предварительной очистки воды от органических веществ, необратимо сорбирующихся на ионообменных смолах и снижающих их ионообменную емкость. Поэтому в будущем этот метод будет широко использоваться для извлечения из воды редких металлов и приготовления глубоко обессоленной воды, а не для охраны водных источников от загрязнения. Ни один из рассмотренных методов не является универсальным. Энергоемкость их существенно отличается: расход электроэнергии при опреснении вод со степенью минерализации 5 г/л убывает в ряду: дистилляция: 60 – 150 кВт⋅ч/м3; электродиализ: 2 – 2.5 кВт⋅ч/м3; обратный осмос: 1.5 кВт⋅ч/м3. Дистилляционное опреснение наиболее целесообразно для сильно минерализованных вод (около 10 г/л) на установках мощностью несколько десятков тыс. м3 в сутки. Электродиализ и обратный осмос позволяют получить воду относительно низкой стоимости на установках малой и средней производительности (до нескольких тыс. м3 в сутки). Наилучшие результаты достигаются при комбинации методов. Многообразные и настойчивые усилия общественности, промышленных предприятий, правительств принесли определенные успехи в защите и восстановлении природных вод. Так, Великие озера Северной Америки, в частности, оз. Верхнее вновь стали чистыми; в р. Рейн, служившей примером антропогенного уничтожения природных объектов, снова появилась рыба, о которой забыли десятилетия назад. Эти примеры показывают, что загрязнение водоемов, при затрате необходимых средств и приложении определенных усилий, можно сделать обратимым. 137

3.4. Проблема твердых отходов. Малоотходные технологии Для того чтобы удовлетворить потребности населения Земли в пище, одежде, жилье и т.д., на каждого человека используется не менее 20 т различного природного сырья в год. Добыча полезных ископаемых во всем мире удваивается каждые пятнадцать лет. Если учесть, что выход полезного продукта из сырья не превосходит обычно 10 %, становится ясно, какие огромные количества промышленных отходов накапливаются ежегодно. Кроме того, после использования часть готовой продукции также переходит в отходы. Количество бытовых отходов в расчете на одного жителя стремительно растет и превышает 200 кг в год. Часто отходы рассматривают как ненужный балласт, хотя в большинстве случаев они представляют собой недоиспользованное сырье. Поэтому ряд ученых предлагает заменить слово «отходы» другим термином – «продукция незавершенного производства», более точным по существу и создающим необходимый психологический настрой. Масштабы накопления отходов громадны. Например, в далеко не самой крупной промышленной державе, Великобритании ежегодно накапливается 10 млн. т отходов при работе тепловых электростанций; около 50 млн. т – как результат работы горнодобывающей промышленности, примерно 60 млн. т вследствие угледобычи. В США ежегодно скапливается около 3.5 млрд. т твердых отходов. Эти отходы содержат много ценных компонентов и не используются только потому, что существующая технология не предусматривает их переработку. Истощение месторождений полезных ископаемых и ухудшение состояния окружающей среды заставляют пересмотреть сложившееся отношение к промышленным отходам. В настоящее время разработаны методы очистки и переработки разнообразных отходов для извлечения из них ценных компонентов. Там, где промышленное использование этих методов в настоящее время невозможно, устраиваются временные накопители отходов, утилизация которых станет возможной в будущем. Комплексное, рациональное использование природного сырья, полное и экономически оправданное извлечение всех его компонентов, а также утилизация отходов являются основным принципом безотходного производства. Все виды природного сырья содержат не138

сколько ценных компонентов, причем полнота извлечения и использования сырья – категория историческая и зависит от потребностей общества и уровня развития техники. Так, например, в районах интенсивного развития цветной металлургии (Урал, Алтай, Норильск и др.) ждут своего часа отвалы шлаков старых и действующих заводов, содержащих большое количество ценных элементов (молибдена, кобальта, кадмия, теллура, германия, рения и др.). Строительство и содержание отвалов требует затрат значительных средств. Например, только за сутки работы ТЭС средней мощности сжигается около 10 тыс. т угля и образуется более 1000 т золы, под отвал которой высотой 8 м требуется площадь более 1 га в год. В то же время, эти шлаки являются ценным сырьем для различных отраслей народного хозяйства, например, промышленности строительных материалов. На предприятиях черной металлургии в эпоху СССР из 600 млн. м3 ежегодного объема накапливаемых пород и шлаков использовалось лишь 13 млн. м3. В отвалах накоплено более 440 млн. т доменных и сталеплавильных шлаков. Ежегодно добавляется еще 26 млн. т шлаков и 25 млн. т отходов обогатительных фабрик. На предприятиях цветной металлургии содержится в отвалах 455 млн. т неиспользованных шлаков и ежегодно образуется еще около 32 млн. т твердых отходов. На сернокислотных заводах накоплено 28 млн. т пиритных огарков, содержащих 39 % железа, и ежегодно к ним добавляется еще 5.7 млн. т. Предприятиями, производящими калийное удобрение сильвинит (KCl⋅NaCl) накоплено 500 млн. т галитовых (солевых) отходов. Это количество ежегодно увеличивается еще на 50 млн. т, в то время как намечаемое их использование составляет всего 6.4 млн. т в год. В отвалах заводов по производству фосфорной кислоты находится около 120 млн. т фосфогипса. Лесозаготовительные предприятия накопили более млн. м3 древесной коры, причем из 17 млн. м3, образующихся ежегодно используется лишь 9 %. Приведенный перечень свидетельствует, что проблема существует и стоит достаточно остро. Беда в том, что предприятия, оставшиеся новым независимым государствам в наследство от СССР, строились давно, без учета экологической ситуации. И этим предприятиям еще долго предстоит работать. Перевод действующих производств на замкнутый цикл сопряжен с решением сложных технических проблем и затратой значительных средств. Видится единственный выход – довести отходы до уровня товарной продукции или использовать их как сырье для своего производства или в других отраслях промышленности. Практическое осуществление этих задач 139

станет важнейшим фактором снижения загрязненности окружающей среды. Сложность стоящей задачи определяется многотоннажностью накопленных отходов и отсутствием, как правило, в местах их образования потребителей. В наибольшей степени эти трудности характерны для отходов предприятий горнодобывающей промышленности. При добыче полезных ископаемых образуются миллиарды тонн отходов (отвалы при открытой добыче, порода при шахтной добыче, хвосты обогатительных фабрик, шахтные воды и воды осушения карьеров, газовые выбросы). На долю твердых отходов горнодобывающих предприятий приходится 70–75 % общего объема производственных отходов. Твердые отходы могут найти применение при производстве стройматериалов (цемента, строительного щебня, кирпича, стекла, керамических изделий и др.), для закладки выработанного пространства, для извлечения ценных компонентов. Можно привести и примеры эффективного использования твердых отходов. Так, при обжиге железной, марганцевой и других руд образуется много отходов, которые используют на предприятиях по производству щебня (от 1 до 8 млн. м3 в год), цемента (3 млн. т), известковой муки (1.5 – 7 млн. т), извести (0.3 млн. т). В ряде случаев стоимость попутных материалов превышает стоимость основных. Например, на Сафоновском месторождении Московского угольного бассейна стоимость огнеупорной глины, входящей в состав добываемого сырья, выше стоимости угля. Анализ технико-экономических данных работы различных предприятий, производящих щебень из отходов, и сравнение их с данными производства из природных материалов показывают более высокую эффективность использования отходов (табл. 3.6.). Таблица 3.6. Сравнение показателей предприятий, производящих щебень из отходов и природного сырья № Технико-экономический Производство из Производство из показатель отходов природного сырья 1 Себестоимость щебня, 0.65–3.3 3.5–4.5 усл. ед. 2 Удельные капитальные 2.7–9.9 10–15 затраты, усл. ед. 3 Срок окупаемости, лет 3 5–6 140

Значительная экономия достигается за счет ликвидации отвального хозяйства. Из-за большого разнообразия состава твердых отходов не существует общих методов их переработки. Достижения химической технологии в их утилизации связаны, главным образом, в создании безотходных и малоотходных производств. В 1979 г. на совещании, проводимом под эгидой ООН, была принята Декларация о малоотходной и безотходной технологии и использовании отходов. Согласно Декларации, под безотходной технологией понимают такой принцип функционирования промышленности, сельского хозяйства, региона, отрасли или отдельно производства, при котором рационально используются все компоненты сырья и энергии в цепочке сырье → производство → потребление → отходы → вторичные ресурсы и не нарушается экологическое равновесие. Малоотходными считают технологии, в которых вредные отходы не превышают уровня, допускаемого санитарными нормами, но в которых по техническим, экономическим, организационным и иным причинам часть сырья и материалов переходит в отходы (попадает на захоронение или длительное хранение). В настоящее время разработаны научно-технические основы безотходной технологии для всех отраслей промышленности. К сожалению, по экономической эффективности многие из разработанных технологий все еще уступают традиционным. Для того чтобы повысить конкурентоспособность малоотходных ресурсосберегающих экологически чистых технологий, Агентство США по защите окружающей среды уже более пяти лет организует исследования в области «green chemistry». Под этим термином понимают использование разнообразных химических методов и процедур для разработки технологий, позволяющих сократить потребление сырья и материалов, снизить риск аварий на производстве, исключить или сократить использование, производство и выбросы в окружающую среду опасных веществ, включая реагенты, растворители, продукты и полупродукты химической и других отраслей промышленности. В рамках программ «green chemistry» в 1996–1998 г.г. разработаны технологии, обеспечивающие замену в производстве полистирола хлорфторуглеводородов (фреонов) на экологически чистый растворитель – сверхкритический диоксид углерода; превращение отходов биомассы в корм животных; замену хлора диоксидом хлора в процессе отбеливания целлюлозы при производстве бумаги; 141

предложены гетерогенно-каталитические процессы, обеспечивающие снижение выхода побочных продуктов в реакции Фриделя-Крафтса. Можно привести примеры успешной, экономически эффективной работы предприятий, использующих малоотходные технологии, и в странах СНГ. Пикальский глиноземный комбинат в Ленинградской области, используя бедное по содержанию алюминиевое сырье, является одним из наиболее рентабельных предприятий алюминиевой отрасли. Здесь производится безотходная комплексная переработка сырья для выпуска глинозема, химических продуктов и строительных материалов. В углях, сжигаемых на ТЭС, содержится около 10 млн. т серы, и в атмосферу выбрасывается около 18 млн. т диоксида серы и около 0.6 – 0.7 млн. т триоксида. Можно ли избежать этих выбросов? В Подмосковном угольном бассейне находится Климская обогатительная фабрика, работающая по безотходной технологии. На ней получают три продукта: уголь для электростанций, углистый колчедан – сырье для производства серной кислоты и глину, применимую для производства стройматериалов. Содержание серы в угле после переработки снижается на 35 – 40 %.

3.5. Ресурсосберегающая технология в черной металлургии Один из крупнейших источников загрязнений – предприятия черной металлургии, одной из важнейших отраслей промышленности Украины. Сброс загрязнений в р. Днепр достиг критического уровня (заводы Днепродзержинска: 190.6 млн. м3 в год, Запорожья: 107.4 млн. м3, Днепропетровска: 190 млн. м3). Еще недавно металлургические предприятия СССР производили не менее 200 млн. т твердых отходов ежегодно. В рамках металлургии чрезвычайно вредным является коксохимическое производство, которое, как мы уже отмечали ранее, выделяет большое количество пыли, газов, жидких стоков: к 1992 г. из 169 коксовых батарей, работающих в странах СНГ, только 35 функционировали с обеспыливанием, около 10 коксохимических заводов не имели биологической очистки сточных вод. Основными загрязнителями на коксохимических заводах являются сама коксовая батарея (при процессах загрузки и выгрузки) и 142

оборотная вода конечных холодильников (подлежат закрытию). Стоки коксохимии содержат такие опасные вещества, как аммиак, фенолы, роданиды, сероводород, смолы, канцерогенные соединения. За коксохимическим производством в металлургии следуют другие интенсивные загрязнители: • агломерационное производство – 170 агломерационных лент, большинство из которых не выдерживают никакой критики с точки зрения охраны окружающей среды; • доменное производство, оставляющее после себя огромное количество шлака; • сталеплавильное производство, в котором 46 конверторных установок до сих пор не имеют очистных сооружений; • прокатное производство, выбрасывающее в качестве отхода окалину и потребляющее большое количество воды. Экологические достижения в металлургии есть, однако превращение существующей металлургии в безотходную отрасль – процесс длительный, сложный, требующий вложения огромных средств. Одним из примеров создания безотходных (малоотходных) технологий в металлургии является бездоменный бескоксовый метод получения железа непосредственным восстановлением железорудных концентратов восстановительным газом (СО + Н2). При этом из технологической цепи полностью устраняется стадии, в наибольшей степени загрязняющие окружающую среду: доменный процесс, коксовое производство, агломерация. Это позволяет втрое уменьшить потребность в воде, сократить количество образующихся сточных вод, практически исключить вредные выбросы в атмосферу. Опыт работы Оскольского электрометаллургического комбината показал, что такая технология резко снижает выбросы углекислого газа, диоксида серы, пыли и др. загрязнителей. Она практически полностью утилизирует все отходы производства. Шлаков и других твердых отходов в этом процессе почти не образуется. Нет сомнений, что бездоменный способ получения железа – будущее металлургии. Можно привести и другой яркий пример. Харьковскими учеными создана технология извлечения графита из копоти металлургических заводов. Внедрение ее позволило бы отказаться от добычи графитовых руд, исключить складирование отходов производства, улучшить состояние атмосферы. Созданы и имеют большие перспективы использования экологически безопасные технологии производства формованного кокса, а 143

также непрерывного слоевого коксования, обеспечивающие практически полное превращение органической части углей в кокс. Большой вклад в их создание внесли харьковские ученые Ю.Б. Тютюнников, И.Г. Зубилин, М.Г. Скляр и др.

3.6. Проблема «чистых» источников энергии Бесплатный сыр бывает только в мышеловке. Английская пословица Значительная часть загрязнений, попадающих в окружающую среду, – результат работы теплоэлектростанций (ТЭС). В этом состоит одна из причин, по которым человечество ищет новые источники энергии, более эффективные и экологически чистые. Один из путей решения указанной проблемы – переход на использование ядерной энергии (энергии ядерного распада и синтеза). Достоинствами этого вида энергии являются большие запасы ядерного топлива, высокая теплотворная способность ядерного топлива и малое количество отходов. В табл. 3.7 приведены сравнительные данные о двух электростанциях – работающей на угле тепловой и атомной с водо-водяным энергетическим реактором электростанций мощностью 100 Мвт. Таблица 3.7. Сравнительные характеристики работы ТЭС и АЭС Показатель работы ТЭС АЭС Расход угля, т/год 2 300 000 0 Расход кислорода воздуха, т/год 6 200 000 0 Расход UO2 (3.5 % обогащения), т/год 0 30 Выброс в атмосферу СО2, т/год 8 400 000 0 Выброс в атмосферу SO2, т/год 140 000 0 Отходы уранового топлива (на регенера0 35 цию), т/год Выброс в атмосферу основных загрязня2.01 0.002 ющих веществ, кратность ПДК Выброс в атмосферу загрязняющих мик2.75 0.0001 роэлементов, кратность ПДК

144

Легко видеть, что по воздействию на окружающую среду атомные электростанции (конечно, при их безаварийной работе) имеют значительные преимущества перед теплоэлектростанциями. В то же время, нельзя не отметить, что на фоне общего неблагополучия с состоянием окружающей среды задача сохранения здоровья человека и здоровой среды его обитания остается в атомной энергетике одной из актуальных. Значение этой задачи еще более выросло после Чернобыльской катастрофы 1986 г. Ее последствия для населения и окружающей среды потребовали самого серьезного внимания к выбору метода строительства, оценки последствий строительства и эксплуатации АЭС. Экология атомных электростанций рассматривает АЭС как промышленно-территориальный комплекс, состоящий собственно из АЭС, вспомогательных предприятий, города энергетиков. Этот комплекс поставляет в окружающую среду четыре вида загрязнителей: радиоактивный, химический, тепловой и бытовой (связанный с жизнедеятельностью населения). На АЭС, кроме нормального режима ее работы, возможны, хотя и маловероятны, проектные и запроектные аварии, причем роль загрязнителей в воздействии на окружающую среду при нормальной работе и авариях сильно отличается. В прогнозах и оценках воздействия атомных электростанций на окружающую среду используются результаты исследования состояния окружающей среды действующей АЭС, изучения последствий аварий на Урале, в Чернобыле, многочисленных радиобиологических исследований, изучения последствий эксплуатации ТЭС, опыт охраны окружающей среды других промышленных предприятий. Главной задачей в области экологии атомных электростанций считается разработка стратегии и тактики обеспечения экологической безопасности АЭС. Нормальный режим работы АЭС характеризуется малыми радиоактивными и химическими поступлениями за ее пределы, проектным сбросом в окружающую среду тепла и обычным урбанизационным воздействием на природу. По показателю радиационного воздействия на человека и природу нормально работающую АЭС можно считать безотходным производством. Обусловлено это тем, что санитарно-гигиеническое законодательство, регулирующее радиационное воздействие на человека, а, следовательно, и радиоактивные поступления с АЭС в окружающую среду установило дозовую квоту для населения, связанную с радиоактивными отходами АЭС в пределах 25 мБэр/год (20 – 25 % дозы естественного фонового излучения). Ни 145

одна АЭС за все время безаварийной работы не превысила этот уровень. Более того, реальная дозовая нагрузка на население существенно ниже допустимой, поскольку газо-аэрозольные радиоактивные выбросы АЭС и сброс радионуклидов с жидкими стоками АЭС много ниже тех, которые обусловили бы превышение санитарных норм. Столь малые радиоактивные поступления с АЭС согласуются с благоприятной радиационной обстановкой на близлежащих территориях. Они не оказывают ощутимого воздействия на природные объекты и комплексы. Действительно, при нормальной работе АЭС плотность радиоактивных выпадений на ближайшие к АЭС территории не превышает нескольких Беккерель на 1 м2, а радионуклидыпродукты коррозии и деления обнаруживаются современными методами не далее, чем в двух км от АЭС. Не удивительно, что до аварий на АЭС их строительство по всему миру шло высокими темпами и к середине 80-х годов в мире на атомных электростанциях вырабатывалось около 225 млрд. кВт⋅ч электроэнергии. После аварии на АЭС, когда радиоактивному заражению подверглись обширные территории Европы, пострадали миллионы людей, правительства многих стран пересмотрели политику строительства новых атомных электростанций. За исключением Франции, вся структура энергетики которой ориентирована на атомные электростанции, развитые страны отказались от строительства новых станций; многие государства решили строить АЭС только с подземным размещением атомных реакторов, что сильно удорожает строительство и повышает себестоимость вырабатываемой на АЭС энергии. Некоторые государства (США, Швеция и др.) и вовсе решили постепенно выводить из эксплуатации действующие АЭС, несмотря на большую стоимость электроэнергии, производимой на электростанциях традиционных типов. Строительство АЭС продолжается в развивающихся странах (Иран, Бразилия, Северная Корея), не склонных нести дополнительные расходы для обеспечения экологической безопасности своей энергетической отрасли. К такому же решению склонилось правительство Украины, где планируется ввести в действие два энергоблока на атомных электростанциях. В общем, можно заключить, что аварии на АЭС резко изменили мировую тенденцию – от строительства новых электростанций к сворачиванию этой отрасли. По прогнозам, к середине XXI в. на АЭС будет вырабатываться электроэнергии столько же, сколько производилось в конце 70-х годов ХХ в. 146

В последние годы много внимания уделяется водородной энергетике – получению электроэнергии за счет экологически безопасной реакции окисления водорода до воды. Ресурсы водорода как топлива безграничны, теплотворная способность его превышает таковую для угля. К сожалению, распространенные методы получения водорода – электролизом воды, конверсией природного газа слишком дороги, чтобы сделать сегодня рентабельной водородную энергетику. Изучаются возможности биохимического производства водорода. Другая сложность – возможность взрывов водород-кислородных смесей. Требуется обеспечить высокую техническую культуру эксплуатации теплоэлектростанций и оснастить их надежными контрольными системами, чтобы работа таких ТЭС стала безопасной. Широкомасштабное практическое освоение других перспективных с экологической точки зрения источников энергии – энергии Солнца, приливов, ветра, вулканов и т.п. – дело довольно далекого будущего, поскольку в настоящее время отсутствуют надежные инженерные экономически оправданные решения. Остается путь совершенствования работы действующих электростанций, прежде всего тепловых. Одно из возможных решений – совершенствование технологии сжигания топлива, например, применение двухступенчатого сжигания, возврат дымовых газов в зону горения, сжигание топлива с недостатком воздуха и комбинирование этих методов. Таким образом можно в два – три раза снизить вредные выбросы в атмосферу. Радикально сократит выбросы сточных вод внедрение водооборотных технологий; проблему твердых отходов ТЭС можно решить, используя их в качестве сырья для производства строительных материалов, цемента и т.п.

3.7. Пестициды и производство сельскохозяйственной продукции Одним из важных направлений развития сельскохозяйственного производства является снижение потерь урожая от вредителей, болезней, сорняков и т.п. В связи с этим в мире широко применяют химические (пестициды) и биологические средства защиты растений. Это вполне понятно, поскольку использование различных химических препаратов в сельском хозяйстве позволяет сохранить не менее 1/3 урожая и существенно сократить затраты труда по уходу за посевами.

147

Еще в Древней Греции было известно более 500 видов животных. В настоящее время число известных видов превышает 2 млн. По подсчетам энтомолога Н.Богданова-Котькова, более 68 000 видов насекомых могут наносить вред человеку, домашним животным, растениям, а также различным материалам. Не меньше и число видов различных вредоносных микроорганизмов и растений. При отсутствии систематической борьбы с болезнями и вредителями сельскохозяйственных культур можно собрать не более 22 % урожая капусты, 10 % урожая яблок, 9 % урожая персиков и т.п. Многочисленны примеры уничтожения урожая болезнями и вредителями. Так, в 1845 – 1851 г.г. в Ирландии вследствие массового поражения картофеля фитофторой погибла большая урожая этой культуры, что стало причиной голода и смерти 1 млн. человек. В 1930 г. в США до 30 % урожая пшеницы погибло от линейной ржавчины, в 1954 г. в Канаде – около 3 млн. т пшеницы от стеблевой ржавчины. Существенный вред наносят насекомые и микроорганизмы, разрушающие древесину, бумагу, изделия из хлопка, шерсти и шелка, каучук и другие материалы. Трудно переоценить ущерб здоровью людей, наносимый вредными насекомыми и клещами-переносчиками инфекций. Серьезную опасность для человека представляют энцефалит, сыпной и возвратный тифы и другие заболевания, переносчиками которых являются насекомые и паукообразные. Велики потери сельскохозяйственной продукции от сорных растений, которые отнимают у культурных растений влагу и питательные вещества, содержащиеся в почве, затеняют культурные растения и мешают их нормальному росту, засоряют собранное зерно ядовитыми для человека и животных семенами и т.д. При общей стоимости мирового урожая сельскохозяйственных культур около 140 млрд. долларов/год потери от вредителей, болезней и сорняков оценивают в 75 млрд. долларов. Один из наиболее распространенных методов борьбы с вредными организмами – химический. Возрастающее производство и применение различных химических веществ (удобрений, и пестицидов) в сельском хозяйстве сопровождается их рассеиванием, накоплением в почве и смыванием в реки и водоемы. Самым опасным загрязнителем окружающей среды выступают пестициды, мировой рынок которых к началу 90-х годов достиг 23.5 млрд. долларов, а ассортимент выпускаемых препаратов расширился до 1200 названий. Пестициды («пест» – вред, «цидо» – убивать) – это химические вещества, употребляемые для уничтожения тех или 148

иных видов вредных организмов. К пестицидам относятся средства борьбы • с вредными насекомыми – инсектициды; • с болезнями растений – фунгициды; • с сорняками – гербициды; • с грызунами – зооциды (родентициды); • с клещами – акарициды; • со слизнями и улитками – лимациды; • с тлей – афициды; • с паразитическими червями человека и животных – антигельминты; • с круглыми червями – нематоциды; а также средства • для удаления листвы – дефолианты; • для отпугивания комаров и других насекомых – репелленты; • для предохранения материалов от разрушения – антисептики; • для борьбы с болезнями растений – вирусоциды; • для высушивания растений на корню – десиканты; • для уничтожения личинок и гусениц насекомых – ларвициды. Неорганические фунгициды в первой половине ХХ в. использовались, в основном, в садах, виноградниках и посевах некоторых овощных культур. Но еще в конце XIX в. химическая борьба с болезнями растений получила реальную научную и практическую почву после изобретения бордосской жидкости∗ и начала промышленного производства серных препаратов. Гербициды особенно масштабно применялись до 1960 г., но и сейчас их применение превосходит использование инсектицидов и фунгицидов вместе взятых. Первые попытки уничтожить сорняки химическими препаратами, такими как железный купорос, хлораты, арсенит натрия, относятся к концу XIX в. Однако успешная химическая борьба с сорняками растений начала развиваться лишь в 40-е годы ХХ ст. в связи с применением органических препаратов селективного действия. ∗

Бордосскую жидкость готовят непосредственно перед применением, смешивая сульфат меди, гидроксид кальция и воду. 149

При большом ассортименте пестицидных препаратов важное значение имеет их классификация. В настоящее время существует несколько классификаций пестицидов (одну из них – по производственному назначению – мы указали выше). В основу химической классификации положена близость химического строения веществ. Выделяют галогенпроизводные циклических углеводородов, фосфорорганические, серебро-, ртутьорганические соединения, производные карбаминовой кислоты, мочевины, гуанидина, фенолов, алкалоиды, цианистые соединения и другие группы препаратов. Гигиеническая классификация пестицидов построена на оценке их токсичности для биологических объектов. Учитывают следующие показатели токсичности: пороговая доза (концентрация) – наименьшую массу вещества (на единицу массы организма) вещества, вызывающее изменения в организме; токсическая несмертельная доза – количество вещества, вызывающее видимые проявления отравления без смертельного исхода; токсическая смертельная доза – количество вещества, вызывающее отравление со смертельным исходом. Для прогнозирования опасности острого отравления определяют смертельные (летальные) дозы ЛД50, т.е. дозы, вызывающие гибель 50 % организмов, и зоны токсического действия – отношение ЛД50 к пороговым. К сильнодействующим ядовитым веществам относят такие препараты, для которых при поступлении в желудок ЛД50 не превышает 50 мг/кг, высокотоксичными признают пестициды с ЛД50 50 – 200 мг/кг. Если пестицид способен поступать в организмы через кожные покровы, его токсичность оценивают как резко выраженную при ЛД50 до 300 мг/кг, выраженную – при ЛД50 300 – 1000 мг/кг и слабовыраженную – при ЛД50 более 1000 мг/кг. С гигиенической точки зрения пестициды классифицируют также по степени летучести, способности накапливаться в организме и стойкости к разложению на нетоксические компоненты. Гигиенической классификацией руководствуются, принимая решение о возможности внедрения нового пестицида в сельское хозяйство, разрабатывая гигиенические нормативы и регламенты. Если препарат хотя бы по одному показателю попал в первую группу опасности по гигиениче150

ской классификации (сильнодействующий яд; резко выраженное токсическое действие при поступлении через кожные покровы; очень летучее вещество; вещество в выраженным кумулятивным эффектом; очень стойкое вещество), его относят к опасным для людей и животных и не применяют. Пестициды применяются, главным образом, на сельскохозяйственных угодьях и в в лесах. Возрастающее производство (табл. 3.8) и применение пестицидов во всех регионах планеты (табл. 3.9) неизбежно сопровождается их рассеиванием и накоплением. В почву пестициды попадают с протравленными семенами при посеве, при обработке растений пестицидами, переносимыми ветром и стоками и т.д. Пестициды, обладая высокой биологической активностью, способны отрицательно воздействовать на организм человека и могут вызвать отравления. Отравления могут быть острыми, подострыми и хроническими. Таблица 3.8. Рост мирового производства пестицидов Рост в % к 1971 г. Пестициды 1971 г., млн. долларов 1975 1980 1985 Инсектициды 842 232 290 368 Фунгициды 343 301 392 466 Гербициды 1131 203 300 454 Таблица 3.9. Использование пестицидов в различных странах мира, % Регионы 1973 1980 1985 Северная Америка 31 35 33 Западная Европа 22 22 20 Восточная Европа и страны СНГ 13 11 10 Центральная и Южная Америка 12 10 11 Африка 5 4 7 Австралия и Новая Зеландия 1 1 1

151

Острыми считают отравления при одновременном поступлении больших количеств вещества. Они сопровождаются бурным развитием заболевания. Подострые отравления возникают при попадании в организм относительно небольших количеств препарата и протекают в более легкой форме. Хронические отравления связаны с длительным поступлением препаратов в количествах, не превышающих ПДК. Хронические отравления могут вызвать вещества, способные к материальной или функциональной токсикологической коммуляции. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), число отравлений пестицидами достигает ежегодно 500 тыс. случаев, причем 5 тыс. заканчиваются смертельным исходом. Данные экологического мониторинга в США, ФРГ, России и других странах показывают, что основными загрязнителями окружающей среды являются хлорорганические инсектициды: ДДТ, дилдрин, алдрин, гексахлорциклогексан, токсафен, из которых на первом месте стоит ДДТ и его метаболиты. В настоящее время в мире производство ДДТ и других хлорорганических инсектицидов сокращено, а во многих странах – прекращено полностью, но циркуляция этих веществ в окружающей среде продолжается. Например, из 4.5 млн. т ДДТ, произведенных за 20 лет с 1950 г. по 1970 г., 2/3 все еще находится в биосфере. На территорию государств СНГ ежегодно попадает 500 т ДДТ и 400 т его метаболитов. Подробная характеристика важнейших пестицидов содержится в справочнике [17]. Сведения о ряде распространенных пестицидов приведены в табл. 3.10. Имеется несколько путей защиты окружающей среды от вредного воздействия ядохимикатов. К ним относятся ограничение использования препаратов за счет внедрения агротехнических приемов; переход преимущественно к биологическим методам борьбы с вредителями; отказ от применения химических препаратов в профилактических целях; синтез нового поколения химикатов – нестойких, быстро разлагающихся в природных условиях; дизайн препаратов узко направленного спектра действия.

152

Таблица 3.10. Характеристики некоторых пестицидов ДДТ – 4,4/-дихлорфенилтрихлорэтан (азотокс, анофекс, аэротекс, гезарол, дикол, дитокс, дуплексан, зердан, неоцид, пентахлорин, пентацид, прамекс), белое кристаллическое вещество с температурой плавления 109 оС, плохо растворимое в воде, растворимое в бензоле, этаноле, толуоле, хлороформе, имеет ЛД50 250 – 400 мг/г. ДДТ чрезвычайно стоек, разложение ускоряется в присутствии солей железа и алюминия. Токсическая доза при попадании внутрь 70 – 85 мг/кг. Тиофос – О,О-диэтил-О-(4-нитрофенил)тиофосфат (алкрон, афамит, вапафос, генитиол, килфос), контактный инсектицид, ЛД50 6 – 50 мг/кг, пороговая доза 3 мг/кг. В СНГ снят с производства из-за высокой токсичности. Карбофос – О,О-диметил-S-(1,2-бисдикарбоэтоксиэтил) дитиофосфат (малатион, АС-4049, кипфос, фосфотион) бесцветная маслянистая жидкость с неприятным запахом, плохо растворим в воде, растворим в органических растворителях. Технический препарат – темно-бурая жидкость. Выпускается в форме 30 %-ной эмульсии. Контактный инсектицид и акарицид для борьбы с тлей и клещами. Используется для опрыскивания табака, огурцов, обеззараживания зерна. ЛД50 400 – 1400 мг/г, термически и фотохимически устойчив. Севин (арапсин, арилат, денапон, карбамат, нафтил и др.) – инсектицид контактного действия, заменитель ДДТ.

CH

Cl

CCl3

Cl

OP(OC2H5)2

O2N

S

S (CH3O)2P-S-CH-COOC2H5 CH2COOC2H5

OCONHCH3

153

Хлорофос – О,О-диметил-(2,2,2-трихло1-оксиэтил)-фосфат (байер, дивон, дилокс, диптерекс), контактный и кишечный инсектицид для борьбы с мухами, паразитами человека и домашних животных, обработки жилых помещений и т.п. Устойчив в кислой среде, быстро гидролизуется в щелочной, разлагается на свету. Выпускается в виде порошка (для обработки садов, виноградников, полевых культур) и раствора (0.1 – 0.3 %) для обработки помещений. Метафос – О,О-диметил-О-(4-нитрофенил)тиофосфат (вофатокс, дальф, метацид), контактный инсектицид и акарицид для обработки садов, виноградников, полевых культур. Умеренно стоек (при рН 1 – 5 и 20 оС – до 3 недель), в щелочной среде быстро гидролизуется. Выпускается в виде эмульсий или смачивающих порошков. Гексахлорциклогексан (бензолгексахлорид, вермексан, гаммексан, гексахлоран) – инсектицид комплексного действия, белый кристаллический порошок, плохо растворимый в воде, устойчив к воде, воздуху, свету, за год разлагается на 40–50 %. Применяется для предпосевной обработки семян, аэрозольной обработки садов, кукурузы, лесополос и т.д. Токсическая доза при попадании в организм человека 15 – 18 мг/кг, обнаружен в жировых тканях населения Франции (1.2 мг/г), США (0.1 – 1 мг/г), продуктах питания, импортируемых в Украину. Тедион (акаритокс, дюфар) – акарицид, высоко токсичен для личинок и яиц клещей, заменитель ДДТ. Выпускается в виде 30–50 %-ного смачивающего порошка.

154

(H3CO)2P-CH(OH)CCl3 O

OP(OCH3)2

O2N

S

Cl Cl

Cl Cl Cl

Cl

Cl

O

Cl

S Cl

O

Cl

IV. ЭКОЛОГИЯ И ОБЩЕСТВО Физическое самочувствие человека в существенной степени зависит от тех условий, в которых человек существует. Но, как правило, лишь подорвав здоровье, человек начинает сознавать, что именно здоровье есть высшее благо. В настоящее время в окружающую среду попадает все больше антропогенных веществ, являющимися не только загрязняющими, но и токсичными, аллергенными, канцерогенными или мутагенными. В связи с этим подлежит пересмотру перечень приоритетов развития цивилизации. На первое место выходит должна выйти проблема оздоровления окружающей среды и долговременное прогнозирование ее устойчивого развития. Безусловно, это проблема не столько экологическая, сколько социальная. Но и экологи, химики, медики могут сказать свое веское слово при ее постановке и решении. В первую очередь речь идет о научной оценке состояния среды в естественных условиях и зонах антропогенного воздействия.

4.1. Экология городов Каждый крупный регион, представляющий собой территорию с определенными природными условиями и конкретным типом хозяйственного освоения, заслуживает особого рассмотрения с экологической точки зрения. Важность регионального экологического анализа заключается в том, что его результаты имеют большое прикладное природоохранное значение. Экологические проблемы городов, особенно крупнейших, связаны со средоточением на сравнительно небольших территориях населения, транспорта и промышленных предприятий, с образованием антропогенных ландшафтов, далеких от состояния экологического равновесия. Темпы роста населения мира в 1.5 – 2.0 раза ниже роста городского населения. В городах сегодня проживает 40 % населения Земли За период 1939–1979 г.г. население крупных городов выросло вчетверо, средних – втрое и малых – вдвое. Быстро растут крупнейшие города с населением, превышающим 1 млн. человек, наблюдается процесс слияния городов в огромные агломерации (слившиеся города).

Таковы сегодня районы Вашингтон–Бостон и Лос-Анджелес–СанФранциско в США; Рур в Германии; Московский регион и Кузбасс в России, Донбасс на Украине. Круговорот вещества и энергии в городах значительно превосходит таковой в сельской местности. Средняя плотность естественного потока энергии Земли – 180 Вт/м2, доля антропогенной энергии в нем – 0.1 Вт/м2. В городах она возрастает до 30–40 и даже до 150 Вт/м2. Над крупными городами атмосфера содержит в 10 раз больше аэрозолей и в 25 раз больше газов. При этом 60–70% газового загрязнения дает автомобильный транспорт. Более активная конденсация влаги приводит к увеличению осадков на 5–10%. Самоочищению атмосферы препятствует снижение на 10–20% солнечной радиации и скорости ветра. При малой подвижности воздуха тепловые аномалии над городом охватывают слои атмосферы в 250–400 м, а контрасты температуры могут достигать 5–6 оС. С ними связаны температурные инверсии, приводящие к повышенному загрязнению, туманам и смогу. Города потребляют в десять и более раз больше воды в расчете на одного человека, чем сельские районы, а загрязнение водоемов достигает катастрофических размеров. Объемы сточных вод достигают 1 м3 в сутки на одного человека. Поэтому практически все крупные города испытывают дефицит водных ресурсов, и многие из них получают воду из удаленных источников. Водоносные горизонты под городами сильно истощены в результате непрерывных откачек скважинами и колодцами, и, кроме того, загрязнены на значительную глубину. Коренному преобразованию подвергается и почвенный покров городских территорий. На больших площадях, под магистралями и кварталами, он физически уничтожается, а в зонах рекреаций – парках, скверах, дворах – сильно повреждается, загрязняется бытовыми отходами, вредными веществами из атмосферы, обогащается тяжелыми металлами; обнаженность почв способствует водной и ветровой эрозии. Растительный покров городов обычно практически полностью представлен «культурными насаждениями» – парками, скверами, газонами, цветниками, аллеями. Структура антропогенных фитоценозов не соответствует зональным и региональным типам естественной растительности. Поэтому развитие зеленых насаждений городов протекает в искусственных условиях, постоянно поддерживается че156

ловеком. Многолетние растения в городах развиваются в условиях сильного угнетения. Не является исключением из общего печального правила и г. Харьков. Несмотря на падение в последние годы объемов промышленного производства и уменьшение числа работающих предприятий, не снижается уровень загрязнений. Из присутствующих в воздухе Харькова загрязнителей наибольшую опасность представляет оксид углерода. Он сохраняется в атмосфере от 2 до 4 месяцев. Вдыхание СО при его концентрации 6 мг/м3 в течение 25 минут вызывает сонливость, может привести к потере сознания. Согласно данным Харьковской областной санэпидстанции, концентрация СО в районах города составляет: пр. Героев Сталинграда: 16 мг/м3, ул. 23 Августа и Холодная гора: 9 мг/м3, центр города: 8 мг/м3, Бавария и Ивановка: 6 мг/м3. Формальдегид, вызывающий воспаление органов дыхания, присутствует в воздухе Харькова в концентрации 0.004 мг/м3, в полтора раза превышающей ПДК. Высок уровень загрязнения свинцом, попадающим в атмосферу при использовании в двигателях этилированного бензина. Один автомобиль в среднем выбрасывает за год 1 кг свинца. Наиболее опасными являются районы пр. Героев Сталинграда (индекс загрязнения 6.25), центр (5.47), Ивановка (4.45), Холодная гора (4.21), ул. 23 Августа (4.16), Салтовка (2.90), Сокольники (2.84). В целом по Харькову индекс загрязнения 5.7.

4.2. Экология сельских местностей Сельскохозяйственные районы весьма различны по природным условиям, типам землепользования и степени освоения. Тем не менее, экологические проблемы в них имеют много общего. Это связано со следующими обстоятельствами: • охватом антропогенными нагрузками больших площадей, иногда практически на 100%; • малой лесистостью и небольшими площадями лугово-степных участков; • значительной обнаженностью и эродированностью почвенного покрова; • преобладанием определенных видов загрязнения в почве, воде и грунтах, связанных с удобрениями.

157

Перечисленные обстоятельства свидетельствуют о специфике экологического состояния сельскохозяйственных районов, о правомерности выделения «агроэкологического» типа оценок территории. Основной аспект агроэкологической оценки – анализ условий развития сельскохозяйственных растений: их роста, урожайности, отношения к удобрениям, болезням, сезонным изменениям условий тепла и влаги – морозам, заморозкам, засухам, переувлажнению. Экологические условия сельскохозяйственных угодий наиболее изменчивы на площадях неполивного земледелия. Более стабильны они в зонах орошения, где мероприятия по мелиорации ослабляют влияние внешних условий. Кардинальные изменения природной среды сельскохозяйственных районов обусловлены тем, что на площадях угодий меняются потоки вещества, нарушается твердый, жидкий и растворенный сток. Сведение лесов увеличивает смыв почвы, твердый сток рек, приводит к заиливанию русел, водохранилищ, пойменных массивов. Расходы водотоков при сокращении лесных площадей на 10% снижаются в среднем на 5%. Активная миграция элементов по склонам, их быстрое поступление в водоемы с одновременным сокращением стока приводит к сильному загрязнению поверхностных вод. Это загрязнение может быть токсичным, поскольку такие опасные элементы, как кадмий, ртуть, стронций, свинец, цинк, относятся к наиболее подвижным в большинстве видов почв. Прилегающие к крупным населенным пунктам сельскохозяйственные районы на больших площадях испытывают на себе влияние промышленного загрязнения. Наибольшую роль здесь играет загрязнение серой, которая в виде сернистых соединений легко разносится воздушными потоками. В нормально увлажненных нейтральных почвах влияние этого вида загрязнения невелико, но в кислых оно усиливает подкисление. На переувлажненных почвах, особенно на поймах, это может привести к резкому закислению после осушения. Основные изменения почв в земледелии связаны с механическим воздействием на нее и с внесением удобрений. Вспашка меняет профиль почвы, разрушает структуру, приводит к обеднению верхних горизонтов, способствует усилению водной эрозии. Наряду с рыхлением идет и уплотнение почвы. Чрезмерные антропогенные нагрузки приводят к напряженной экологической обстановке во многих районах сельскохозяйственного освоения. Одним из примеров этого может служить Харьковская область. 158

Из 3140 тыс. га площади области сельхозугодьями занято 2314 тыс. га, т. е. более 70%. Средняя лесистость – 10.5% при оптимальной примерно 20%. Эродированные земли – 1700 тыс. га, нарушенные – 3.2 тыс. га. Удельный вес эродированных и эрозионно-опасных земель в общей площади земель приближается к 90%, нарушенных к 0.5%, засоленных к 11–12 %. Почти 95 % общего объема сточных вод загрязнено и может использоваться для хозяйственно-бытового и технического водоснабжения только после очистки. Оценка территории Харьковской области по состоянию компонентов природной среды показала, что из двадцати пяти районов неблагоприятное состояние поверхностных вод (сильное загрязнение) наблюдается в пяти, растительности – в двенадцати и земель – в семнадцати районах. Семь районов, включая г. Харьков, отнесены к неблагоприятным в результате комплексной оценки экологического состояния природной среды.

4.3. Устойчивое развитие: мечта или реальность? В 1992 г. главы государств и правительств большинства стран мира собрались в Рио-де-Жанейро на Всемирную конференцию ООН по окружающей среде и развитию. Констатировав, что нынешний путь развития человеческой цивилизации ведет к ее гибели, конференция провозгласила необходимость перехода мирового сообщества на путь «устойчивого развития» («sustainable development»). Устойчивым, согласно определению Международной комиссии по окружающей среде и развитию, признают такое развитие, которое удовлетворяет потребности настоящего времени, но не ставит под угрозу способность будущих поколений удовлетворять свои собственные потребности. Устойчивое развитие предполагает, что приоритетами должны стать 1) обеспечение минимума потребностей каждого человека, включая население беднейших стран, и 2) соблюдение ограничений, накладываемых способностью окружающей среды воспринимать антропогенные нагрузки. Таким образом, на теоретическом уровне проблема понятна, намечены пути ее решения. Трудность состоит в том, что правящие круги богатых государств Запада неохотно вводят законодательные ограничения, регулирующие промышленное или сельскохозяйственное производство и, тем самым, повышающие себестоимость про159

дукции и снижающие ее конкурентоспособность. Бедные развивающиеся страны, в свою очередь, также пока не готовы создавать серьезные барьеры для роста потребления – слишком низок этот уровень сегодня, далеко не всегда гарантируя простое выживание населения. Вот почему, несмотря на все многообещающие решения правительств стран мира, экологи продолжают бить тревогу и готовят печальные сценарии развития биосферы и человечества. Исследование будущего должно ответить на вопрос: как мировому сообществу направить огромную по своим масштабам циркуляцию природных сил и ресурсов по пути, который будет полнее удовлетворять потребности людей и не нарушать при этом экологические процессы? Специфика экологических проблем заключается в их сложности, масштабности и зависимости от огромного числа разнообразных факторов. Анализ этих проблем предполагает применение системного подхода, учитывающего широкий спектр социально-экономических, технологических, географических и др. факторов. Инструментом исследования выступает моделирование (ч. I, п. 1.4). В зависимости от решаемых задач различают несколько уровней моделей: глобальные модели (такие, как единая модель атмосферы или общая модель потоков энергии в биосфере), региональные и национальные модели и модели отдельных биогеоценозов. Глобальные модели строят поэтапно: сначала формируют модели отдельных экосистем, территорий, а затем пытаются скомбинировать из локальных моделей глобальную. К настоящему времени построен ряд моделей, описывающих экологическую обстановку на региональном и глобальном уровнях. К числу таких моделей относят модель экосистемы Азовского моря, модель атмосферы К. Сагана, глобальную модель климата Ю. Александрова – Н. Моисеева и др. В моделировании различных аспектов взаимосвязи человека и биосферы можно выделить ряд стадий: описание – исходный, эмпирический этап, отвечающий на вопрос «что происходит в окружающей среде и в самом человеке?»; объяснение – промежуточный, теоретический этап, отвечающий на вопрос «почему это происходит?»; предвидение – завершающий, практически ориентированный этап экологического исследования, который должен давать ответы на вопросы: «каким образом обнаруженные тенденции будут вести себя в будущем?» и «что следует предпринять для того, чтобы предотвратить нежелательные явления или, наоборот, способствовать реализации благоприятных возможностей?».

160

Модели, более или менее точно описывающие изменение глобальной экологической ситуации, являются основой для «исследование будущего». Исследование будущего проводится в двух качественно различных направлениях (поисковое и нормативное прогнозирование). Поисковое прогнозирование – это анализ перспектив развития существующих тенденций на определенный период и определение на этой основе вероятных состояний объектов управления в будущем при сохранении существующих тенденций. Нормативное прогнозирование представляет собой попытку проанализировать возможные пути достижения целей оптимального управления. Предметом нормативного прогнозирования выступают субъективные факторы (идеи, гипотезы, предположения, этические нормы, социальные идеалы, целевые установки), которые, как показывает история, могут решающим образом изменить характер протекающих процессов, а также стать причиной появления качественно новых, непредсказуемых феноменов действительности. К середине 1980-х годов имелось более 15 глобальных прогнозов, получивших название «моделей мира». Самые известные из них – это «Мировая динамика» Дж. Форрестера, «Пределы роста» Д. Медоуза и соавт., «Человечество у поворотного пункта» М. Месаровича и Э. Пестеля, «Латиноамериканская модель Баричоле» А.О. Эрреры, «Будущее мировой экономики» В. Леонтьева, «Мир в 2000 году. Доклад президенту» и другие [11]. Основоположником и идейным отцом глобального прогнозирования на основе системного анализа по праву считается американский ученый Дж. Форрестер. Значение своей работы Дж.Форрестер видел в том, что она «будет содействовать возникновению ощущения необходимости безотлагательного решения существующих проблем и укажет на эффективное направление работы для тех, кто решится исследовать альтернативы будущего» [11]. У Дж. Форрестера оказались последователи. Появился первый глобальный прогноз Римского клуба под названием «Пределы роста», авторы которого построили динамическую модель мира, куда в качестве исходных данных включили население, капиталовложения (фонды), земное пространство, загрязнение, использование природных ресурсов, посчитав эти компоненты основными в динамике изменения мировой системы. Выводы авторов сводились к следующему: если сохранятся существовав161

шие на конец 1960-х годов тенденции и темпы развития экономики и роста народонаселения, то человечество к 2100 г. неминуемо должно прийти к глобальной экологической катастрофе. Были выработаны рекомендации: немедленно свести к нулю рост народонаселения и производства. Будучи, конечно, нереальными и неприемлемыми, эти предложения дали пищу для развития антинаучных и антигуманных теорий, способствовали резкой вспышке всякого рода неомальтузианских и геополитических рассуждений, уводящих от реальных путей преодоления экокризисных явлений. Не случайно уже следующая модель М. Месаровича и Э. Пестеля – «Человечество у поворотного пункта» – была значительно более обоснованной. Авторы попытались посмотреть на мир не как на нечто аморфно-целое, а как на систему отличающихся друг от друга, но взаимодействующих регионов. Выводы авторов этой модели более оптимистичны, чем предыдущей. Однако «прогресс» Месаровича и Пестеля можно свести к тому, что они, отвергая неизбежность «единой» глобальной экологической катастрофы, будущее человечества видят в длительных, разнообразных кризисах – экологических, энергетических, продовольственных, сырьевых, демографических, могущих постепенно охватить всю планету, если общество не примет их рекомендации перехода к «органическому росту» – сбалансированному развитию всех частей планетарной системы. К настоящему времени методологические принципы и методика глобального прогнозирования неизмеримо усложнились по сравнению с исторически первыми и простейшими методами оценки экологической емкости Земли. В новых условиях обострившихся потребностей в нахождении эффективных способов целенаправленного воздействия на процессы взаимодействия человека и биосферы встают задачи разработки конкретных прогнозов будущего человечества, формирования конкретных научно обоснованных представлений об основных возможных тенденциях развития человечества на ближайшие 50 – 100 лет. В русле этих поисков сформировались две концепции будущего человечества и биосферы в целом. Одну концепцию считают «оптимистической», другую «алармистской» (от англ. «alarm» – тревога).

162

Следуя [19], кратко опишем их: Алармистская концепция 1. Антропогенное воздействие на биосферу может привести к глобальной экологической катастрофе, гибели всего живого на Земле. 2. Антропогенный пресс охватывает всю биосферу и привносит качественно новые факторы воздействия на биосферу. 3. Homo sapiens (человек разумный) – слепая ветвь эволюции. В биосфере существуют группы организмов, обладающих потенциальной возможностью мутагенного взрыва и порождения новых видов, способных противостоять экологическому стрессу, вызванному природными или антропогенными факторами.

Оптимистическая концепция 1. Антропогенное воздействие на природу может угрожать цивилизации, изменения в биосфере не будут означать ее полного уничтожения. 2. Антропогенное воздействие на биосферу проявляется прежде всего на региональном и локальном уровнях; в глобальном масштабе оно не оказывает воздействия. 3. Ход эволюции направлен к дальнейшему повышению роли Человека в биосфере и превращению биосферы в ноосферу – сферу господства разума, высшей нервной деятельности.

«Оптимистическая» ноосферная концепция естественна и логична для христианского мировоззрения [20], согласно которому право человека на владение богатствами природы даровано Свыше. В философском обосновании этой концепции выдающуюся роль сыграли труды русских философов начала ХХ в. С.Н. Булгакова, Н.Ф. Федорова и П.А. Флоренского. Согласно учению Федорова, цель человечества состоит в управлении слепыми, хаотичными силами природы, внесении в нее порядка и высшей целесообразности. Сторонником и создателем естественнонаучных основ ноосферной концепции развития биосферы по праву считается В.И.Вернадский. По Вернадскому, на Земле восторжествует «царство разума». Духовную основу этого царства составит научная мысль и все проявления интеллекта в области религиозной, художественной и философской [21]. Материальной составляющей станет биосфера, преобразованная человеческим трудом. В ноосфере нет места экологическим кризисам 163

и антропогенным катастрофам, человек достигнет физического и нравственного совершенства. Оптимизм Вернадского не в полной мере разделяют современные приверженцы оптимистической концепции; сам термин «ноосфера» почти не встречается в футурологической литературе. В ходу более осторожные сценарии будущего, согласно которым в течение ближайших двух десятилетий человечество сможет замедлить развитие глобального экологического кризиса. Это произойдет при условии политического объединения человечества, контролирования рождаемости, перестройки производства с учетом требований экологии и сглаживании социальных антагонизмов. Пессимистический сценарий нашел приверженца в лице крупного русского историка и мыслителя Л.Н. Гумилева. Гумилев был противником самой идеи ноосферы. По его мнению [22], деятельность человека, вырывая вещество из природных процессов, мешает свободному развитию (саморазвитию) природы. Гумилев не признавал возможности политической или культурной интеграции человечества, подчеркивая разъединенность и противостояние различных этносов. В таких условиях развитие общества будет происходить стихийно, человечество не сможет задержать нарастание глобального экологического кризиса. Даже без ядерной войны, к концу ХХI в. реальностью станет деградация биосферы. Человек как биологический вид, подобно динозаврам, покинет лицо нашей планеты. Какой путь выбрать – решение самого человечества. Гармоничного и устойчивого развития достичь трудно, но шанс обратить вспять нарастающие негативные тенденции в биосфере у мирового сообщества есть.

164

11. Закон УССР «Об охране окружающей природной среды» от 25 июня 1991 г. // Ведомости Верховного Совета УССР No 41. 08.10.91.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ И РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Вернадский В.И. Избранные сочинения. Т.2. История природных вод. М.: Изд-во АН СССР, 1960. 2. Одум Ю.П. Экология. В 2-х т. М.: Мир, 1986. 3. Федоров В.В., Гильманов Т.Г. Экология. М.: Изд-во МГУ, 1980. 4. Волькенштейн М.В. Биофизика. М. Наука, 1988. 5. Sillen L.G The Ocean as a Chemical System // Science. 1967. V. 156. No 3779. P.1189-1197. 6. Сытник К.М., Брайон А.В., Гордецкий А.В. Биосфера. Экология. Охрана природы. / Под ред. акад. АН УССР К.М.Сытника. К.: Наукова думка, 1987. 7. Варшал Г.М., Велюханова Т.К., Кощеева И.Я., Кубракова И.В., Баранова Н.Н. Комплексообразование благородных металлов с фульвокислотами природных вод и геохимическая роль этих процессов // Аналитическая химия редких элементов. М.: Наука, 1988. С. 112-146. 8. Варшал Г.М. Формы миграции фульвокислот и металлов в природных водах. Автореф. дис. ... д-ра хим. наук. М.: ГЕОХИ РАН, 1994. – 65 с. 9. Варшал Г.М., Велюханова Т.К., Баранова Н.Н., Кощеева И.Я., Шумская Т.В., Холин Ю.В. Комплексообразование серебра(I) с гумусовыми кислотами и геохимическая роль этого процесса. // Геохимия. 1994. No 8-9. С. 1287-1294. 10. Корте Ф., Бахадир М., Клайн В., Лай Я.П., Парлар Г., Шойнерт И. Экологическая химия. М.: Мир, 1996.

12. Закон Украины «Об охране атмосферного воздуха» от 16 октября 1992 г. // Ведомости Верховного Совета Украины No 50. 15.12.92. 13. Закон Украины «О природно-заповедном фонде Украины» от 16 июня 1992 г. // Ведомости Верховного Совета Украины No 34. 25.09.92. 14. Успенский С.К., Малина В.П., Зингерман Ю.Е. Основные концепции деятельности Гипрококса, направленной на повышение экологической безопасности коксохимического производства // Углехимич. журн. 1995. No 1-2. C. 57-65. 15. Rowland F.S., Molina M.J. Ozone depletion: 20 years after alarm // Chem. and Eng. News. 1994. V. 72. P. 8-13. 16. Graedel T.E., Crutzen P.J. Atmosphere, climate and change. – Scientific American Library, 1995. 17. Справочник по пестицидам. Под ред. акад. Л.И.Медведя. Киев: Урожай, 1974. 18. Кузнецов Г. А. Экология и будущее: Анализ философских оснований глобальных прогнозов. М.: Изд-во МГУ, 1988. 19. Петров К.М. Общая экология. Взаимодействие общества и природы. СПб: Химия, 1998. 20. Николаев В.А. Концепция ноосферы: история и современность. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. географ. 1996. No 2. C. 87-94. 21. Вернадский В.И. Размышления натуралиста. Кн. 2. Научная мысль как планетарная явление. М.: Наука, 1977. 22. Гумилев Л.Н. Этногенез и биосфера Земли. Л., 1990. 23. Гиренок Ф.И. Экология, цивилизация, ноосфера. М.: Наука, 1987.

165

166

24. Израэль Ю.А. Экология и контроль природной среды. Л.: Гидрометеоиздат, 1984.

3.3.3. Ионизирующее излучение ...........................................................46 3.3.4. Эдафический фактор ....................................................................49 3.4. Характеристика важнейших биотических факторов ....................57 3.4.1. Понятие популяции ......................................................................57 3.4.2. Экспоненциальная и логистическая модели роста ....................58 3.4.3. Возрастной состав популяций .....................................................62 3.4.4. Демографические проблемы........................................................66 3.4.4.1. Демографический взрыв ...........................................................66 3.4.4.2. Проблема продовольственных ресурсов .................................68 3.5. Взаимоотношения видов в экологических системах....................72 ІV. Экологическая химия процессов в биосфере .................................81 4.1. Устройство биосферы и роль живого вещества............................81 4.2. Круговорот азота .............................................................................83 4.3. Круговорот углерода .......................................................................86 4.4. Круговороты фосфора и серы.........................................................88 4.5. Механизмы миграции и удерживания ионов микроэлементов в земной коре .............................................................................................91 Охрана природы и рациональное природопользование......................94 I. Современное состояние и понимание проблемы охраны природы 94 II. Законодательство, Управление и природопользование в области охраны окружающей среды на Украине ................................97 2.1. Закон Украины «Об охране окружающей природной среды»......................................................................................................98 2.2. Закон Украины «Об охране атмосферного воздуха»..................101 2.3. Закон «О природно-заповедном фонде Украины» .....................102 III. Масштабы загрязнения окружающей среды и меры по ее защите....................................................................................................104 3.1. Экологический мониторинг. Проблемы экотоксикологии ........105 3.2. Проблема чистого воздуха............................................................109 3.2.1. Последствия загрязнения атмосферы .......................................109 3.2.2. Аэрозольное загрязнение атмосферы. Смог.............................111 3.2.3. Очистка газовых выбросов ........................................................114 3.2.4. Сокращение выбросов в атмосферу в коксохимическом производстве .........................................................................................117 3.2.4.1. Нормирование выбросов предприятий ..................................117 3.2.4.2. Сокращение выбросов в атмосферу при производстве кокса ......................................................................................................118 3.2.4.3. Природоохранные мероприятия при тушении кокса............120 3.2.4.4. Ликвидация или сокращение выбросов в химических цехах ......................................................................................................122 3.2.5. Проблема озонового слоя ..........................................................124 3.3. Проблема чистой воды..................................................................131 3.3.1. Масштабы и последствия загрязнения природных вод...........131 3.3.2. Водооборотный цикл – наиболее рациональный способ защиты водоемов..................................................................................134 3.3.3. Основные методы очистки сточных вод...................................135

25. Казначеев В.П. Очерки истории и практики экологии человека. М.: Наука, 1983. 26. Киевский М.И., Евстратов В.Н., Ратманов А.Г. Безотходные технологические схемы химических производств. К.: Техніка, 1987. 27. Шицкова А.П., Новиков Ю.В. Гармония или трагедия? (Научно-технический прогресс, природа и человек) / Под ред. акад. АМН СССР В.П.Казначеева. М.: Наука, 1989. (Человек и окружающая среда)

Оглавление Введение ................................................................................................... 1 Общая и химическая экология................................................................ 5 І. Экология – научная основа охраны природы и рационального природопользования ................................................................................ 5 1.1. Предмет экологии ............................................................................. 5 1.2. Общая экология и частные экологические дисциплины ............... 5 1.3. Задачи экологии ................................................................................ 7 1.4. Особенности эксперимента в экологии......................................... 10 1.5. Из истории экологической науки .................................................. 12 II. Общая характеристика биосферы. Понятия экосистемы и биогеоценоза .......................................................................................... 16 2.1. Понятие биосферы. Биологическая регуляция геохимической среды ....................................................................................................... 16 2.2. Сферы, охваченные жизнью – атмосфера, литосфера и гидросфера.............................................................................................. 20 2.3. Автотрофное и гетеротрофное питание. Трофические цепи, сети и пирамиды .................................................................................... 22 2.4. Экосистема и биогеоценоз ............................................................. 25 IІІ. Элементы факториальной экологии ............................................... 26 3.1. Понятие об экологических факторах............................................. 26 3.2. Понятие об экологических нишах ................................................. 32 3.3. Характеристика основных абиотических факторов..................... 35 3.3.1. Энергия в экологических системах ............................................ 35 3.3.1.1. Солнечная радиация.................................................................. 35 3.3.1.2. Фотосинтез ........................................................................... 38 3.3.1.3. Хемотрофные микроорганизмы ......................................... 40 3.3.2. Температура и влажность............................................................ 42

167

168

3.4. Проблема твердых отходов. Малоотходные технологии .......... 138 3.5. Ресурсосберегающая технология в черной металлургии .......... 142 3.6. Проблема «чистых» источников энергии ................................... 144 3.7. Пестициды и производство сельскохозяйственной продукции 147 IV. Экология и общество..................................................................... 155 4.1. Экология городов.......................................................................... 155 4.2. Экология сельских местностей .................................................... 157 4.3. Устойчивое развитие: мечта или реальность? ............................ 159 Использованная и рекомендуемая литература .................................. 165

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

ЗУБИЛИН Иван Георгиевич ХОЛИН Юрий Валентинович ЮШКО Виктор Кузьмич НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ОХРАНЫ ПРИРОДЫ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ

Подписано в печать хх.хх.98. Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Напечатано на ризографе. Усл. печ. л. 10,0. ____________________________________________________________ Фолио», 310002, Харьков, ул. Артема,8

169