Забруднення біосфери та екосистем

Основна ідея. Аналіз основних забруднювачів атмосфери, ґрунту та гідросфери, а також джерел і шляхів забруднень. Аналіз ступеня шкідливості забруднювачів та їх впливу на компоненти біосфери та людину.

Смислові зв 'язки. Джерела забруднень (сфера людської діяльності) — компонент біосфери (атмосфера, гідросфера чи педосфера) — вплив забруднювача на біосферу.

Ключові терміни. Забрудники, джерела забруднення, ат­мосфера, гідросфера, педосфера, пил, сажа, оксид Карбону, оксиди Нітрогену, діоксид Сульфуру, вуглеводні, сполуки Плюмбуму, механіка забруднення, хімічне забруднення, бак­теріальне забруднення, радіоактивне забруднення, теплове забруднення, стічні води, евтрофікація, мінеральні добрива, пестициди, важкі метали, нафтопродукти, нафта, радіонук­ліди.

Мета — охарактеризувати природу забруднень компо­нентів біосфери (атмосфери, гідросфери, педосфери), якими видами людської діяльності створюються ці забруднення, основні види забруднювачів, чим вони небезпечні для ком­понентів навколишнього середовища та самої людини.

10.2.1. Забруднення атмосфери

Щорічно в навколишнє середовище планети надходить до 2-10²⁰ дж тепла, що супроводжується викидами в атмосферу 18∙10⁹ т СО₂. Основні джерела теплових викидів — процеси згорання органічного палива та об’єкти ядерної енергетики (АЕС). Теплові викиди призводять до зростання середньоріч­ної температури атмосфери на Землі, зниження снігово-льо­дового покриття та, як наслідок, до зменшення відбиваючої здатності планети. Все це стимулює подальше підвищення середньої температури земної поверхні. За даними Націо­нальної академії наук США, у середині ХХІ ст. температу­ра атмосфери Землі зросте приблизно на 5,5 °С. За рахунок танення льодовиків і полярних льодів у найближчі 25 років очікується підвищення рівня Світового океану на 10 см.

Основна маса забруднень повітря припадає на спалю­вання органічних енергоносіїв (вугілля, нафти, газу, торфу, сланців, деревини).

Сьогодні в містах забруднення повітря в 15 разів вище, ніж у сільській місцевості, і в 150 разів вище, ніж над океа­ном. У промислових районах за добу випадає понад 1 т/км² пилу, у забруднених містах — понад 1 кг/м² за рік пилу та сажі. Перевищення концентрацій токсичних речовин у за­брудненому атмосферному повітрі міста над фоновими в се­редньому складають: за оксидом Карбону 80—1250 і більше, за діоксидом Сульфуру — 50—300, за діоксидом Нітрогену — до 25, за озоном — до 7 разів.

Утворення кислотних дощів пов’язане з надходженням у вологу атмосферу оксидів Сульфуру та Нітрогену. Особли­ву небезпеку становлять стаціонарні джерела (ТЕС та інші). Кислотні дощі знижують родючість ґрунту, погіршують здоров’я населення, негативно впливають на флору та фауну, руйнують металоконструкції тощо. Вони стали поширеним явищем, причому такі дощі можуть випадати на відстані со­тень і тисяч кілометрів від джерела первісного викидання речовини.

Серед різноманіття хімічних речовин і фізичних фак­торів, які діють у навколишньому середовищі, найнебез- печнішими виявляються канцерогени — речовини або фак­тори, які здатні викликати у живих організмах розвиток злоякісних утворень. Багато з канцерогенів майже не ви­водяться з організму. До фізичних канцерогенних факторів відносять рентгенівське опромінення, радіоактивні ізотопи та інші види радіоактивного забруднення середовища, а та­кож ультрафіолетове опромінення у великих дозах. Високі рівні фізичних канцерогенних факторів можуть зазвичай проявлятися в зонах, що примикають до аварійних об’єктів ядерної енергетики. Малі дози опромінення можуть приз­вести до ракових захворювань, які зазвичай проявляються через багато років після опромінення.

Оксиди Карбону, Сульфуру, Нітрогену, вуглеводні, спо­луки Плюмбуму, пил тощо, які надходять в атмосферу, мають різну токсичну дію на організм людини. Наведемо властиво­сті деяких домішок.

Оксид Карбону СО (чадний газ) міститься у викидах ви­робництв нафтохімічних, сульфатцелюлозних, лінолеуму, толю, пінопласту, мінеральних плит, вуглехімічних, алю­мінієвих, асфальтобетону, цементу, коксохімічних, аміачної селітри, аміаку, метилового спирту, металургійних, металооб­робних, органічного синтезу, синтетичного бензину. Чадний газ сполучається не лише з гемоглобіном, а й з гемумісними білками (цитохроми, цитохромоксидаза, міоглобін), з віднов- лювальною формою пероксидази, утворюючи сполуку, що нагадує карбоксигемоглобін, і з каталазою. У ряді гострих отруєнь чадним газом смерть наставала при відносно неви­сокому вмісті карбоксигемоглобіну (45—55 %).

Оксиди Нітрогену NO_x (NO, NO₂, N₂O₃, N₂O 5, N₂O₄). В ат­мосферу викидається в основному діоксид Нітрогену NO₂, який подразнює органи дихання. Особливо небезпечні ок­сиди Нітрогену в містах, де вони взаємодіють із вуглеводня­ми викидних газів, утворюючи фотохімічний туман — смог. При контакті з вологою поверхнею слизової оболонки ок­сиди утворюють кислоти HNO₃ та HNO₂, які призводять до захворювання легенів.

Діоксид Сульфуру SO₂ міститься у викидах виробництв сульфатної кислоти, сульфату амонію, що переробляють тверде паливо, металургійних, керамічних, теплових елек­тростанцій, капролактаму, лінолеуму, толю, пінопласту, мінераловолокнистих плит, цукровобурякових, харчових, текстильних, паперу. Загальна дія полягає у порушенні вуг­леводневого та білкового обміну; пригніченні окиснювальних процесів у головному мозку, печінці, селезінці, м’язах; галь­муванні окиснювального дезамінування амінокислот і окис- нення піровиноградної кислоти; зниженні вмісту вітамінів B₁ і C і т.

Вуглеводні (пари бензину, пентан, гексан тощо) володіють наркотичною дією, у малих концентраціях викликають го­ловний біль.

Сполуки Плюмбуму. В організм людини через органи ди­хання надходить близько 50 % сполук Pb. Під дією Плюмбу- му порушується синтез гемоглобіну, виникає захворювання дихальних шляхів, сечостатевих органів, нервової системи. Особливо небезпечні сполуки Плюмбуму для дітей дошкіль­ного віку.

Атмосферний пил. В атмосфері постійно присутній пил різного походження та хімічного складу. При неповному згоранні палива утворюється сажа, яка являє собою ви­сокодисперсний нетоксичний порошок, що на 90—95 % складається з частинок вуглецю. Сажа має високі адсорб­ційні властивості відносно важких вуглеводнів, у тому чис­лі бенз(а)пірену, що робить сажу досить небезпечною для людини. Джерело атмосферного пилу — зола, яка утво­рюється при згоранні палива. Дисперсний склад пилу та туманів визначає їх проникаючу здатність для організму людини. Особливу небезпеку являє собою токсичний тон- кодисперсний пил із розміром часток 0,5—10 мкм, який легко проникає в органи дихання.

Інтегральна оцінка впливу токсичних домішок атмосфер­ного повітря на здоров'я людей досить складна.

10.2.2. Забруднення гідросфери

Під забрудненням водних ресурсів розуміють будь-які зміни фізичних, хімічних і біологічних властивостей води у водоймах у зв’язку зі скиданням у них рідких, твердих і газоподібних речовин, які можуть створити незручності, роблячи воду цих водойм небезпечною для використання, завдаючи збитки господарству, здоров’ю та безпеці населен­ня. Джерела забруднення — об’єкти, через які здійснюється скидання до гідросфери шкідливих речовин, котрі погіршу­ють якість поверхневих вод, обмежують їх використання і негативно впливають на стан дна та берегів водних об’єктів.

• механічне (підвищення вмісту механічних домішок, властиве переважно поверхневим видам забруднення);

• хімічне (присутність у воді органічних і неорганічних речовин токсичної та нетоксичної дії);

• біологічне (присутність у воді різноманітних патогенних бактерій, вірусів, грибів, а також дрібних водоростей);

• радіоактивне (присутність у поверхневих або підземних водах радіоактивних речовин);

• теплове (скидання у водойми підігрітих вод теплових і атомних електростанцій).

Основні джерела забруднення та засмічення водойм — недостатньо очищені стічні води промислових і комунальних підприємств, великих тваринницьких комплексів, відходи підприємств із розробки рудних корисних копалин; води шахт, рудників, води обробки та сплаву лісоматеріалів; ски­ди водного та залізничного транспорту, відходи первинної обробки льону, пестициди тощо. Забруднюючі речовини, потрапляючи у природні водойми, призводять до якісних змін води, які переважно виявляються у зміні її фізичних властивостей, зокрема появі неприємних запахів, присмаків тощо, у зміні хімічного складу води, зокрема появі у ній шкідливих речовин, у появі плаваючих речовин на поверхні води та відкладанні їх на дні водойм.

Виробничі стічні води забруднені переважно відходами та скидами виробництв. Кількісний і якісний склад їх різно­манітний у різних галузях промисловості та технологічних процесах. Їх поділяють на дві основні групи: ті, що містять неорганічні домішки, зокрема токсичні, і ті, що містять от­рути.

До першої групи відносяться стічні води содових, суль­фатних, азотно-тукових заводів, збагачувальних фабрик свинцевих, цинкових, нікелевих руд тощо, що містять кис-

Рис. 10.5. Скидання виробничих стічних вод у водойму

лоти, луги, іони важких металів тощо. Стічні води цієї групи переважно змінюють фізичні властивості води.

Стічні води другої групи скидають нафтопереробні, нафтохімічні заводи, підприємства органічного синтезу, коксохімічні тощо.

На здоров’я населення водойм згубно впливають стічні води целюлозно-паперової промисловості. Окиснювання де­ревної маси супроводжується поглинанням значної кількості кисню, що зумовлює загибель ікри, мальків і дорослих риб. Волокна та інші нерозчинні речовини засмічують води й по­гіршують їх фізико-хімічні властивості. Із гниючої деревини та кори виділяються у воду різні дубильні речовини.

Зростання чисельності населення, розширення давніх і виникнення нових міст значно збільшили надходження у внутрішні водойми побутових стоків. Ці стоки стали джере­лом забруднення річок і ставків хвороботворними бактеріями та гельмінтами. Значною мірою забруднюють водойми син­тетичні мийні речовини, які використовуються у побуті і зна­ходять широке застосування у промисловості та сільському господарстві. Хімічні речовини, що містяться в них, вступа­ючи зі стічними водами у річках і озерах у взаємодію, спри­чиняють значний негативний вплив на біологічний режим водойм. Через це знижується здатність води до насичення киснем, паралізується діяльність бактерій, мінералізуються органічні речовини.

Викликає серйозну стурбованість забруднення водойм пес­тицидами та мінеральними добривами, які змиваються з полів дощовою та талою водою. Інсектициди, які містяться у воді у вигляді суспензій, розчиняються у нафтопродуктах, яки­ми забруднені річки та озера. Ця взаємодія призводить до значного послаблення окисних функцій водних рослин. Пот­рапляючи до водойм, пестициди накопичуються у планк­тоні, бентосі, рибі і ланцюжком живлення потрапляють до організму людини, діючи негативно як на окремі органи, так і на організм у цілому.

Через підвищення температури води вміст кисню у ній падає, тоді як кількість живих організмів зростає. Потреба води в кисні, його нестача викликає жорсткий фізіологічний стрес у живих організмів і навіть їх загибель. Штучне підігрі­вання води може істотно змінити поведінку риби, викликати передчасний нерест, порушити міграції. Підвищення тем­ператури води порушує структуру рослинного світу водойм. Характерні для холодної води водорості замінюються більш теплолюбними й нарешті за високих температур повністю ними витісняються. Виникають сприятливі умови для ев- трофікації водойм — масового розвитку на водоймах синьо- зелених водоростей, так званого «цвітіння води».

Забруднюються річки також під час сплаву лісу, у процесі гідроенергетичного будівництва, а з початком навігаційного періоду збільшується забруднення гідросфери суднами річ­кового та морського флоту.

Світове господарство скидає 1500 км³/рік стічних вод різного рівня очищення, які потребують 50—100-кратного розведення для надання їм природних властивостей, які б за­безпечили подальше самоочищення у біосфері (не враховані води сільськогосподарських виробництв). Світовий річковий стік (37,5—45,0 тис. км³/рік) недостатній для необхідного роз­ведення стічних вод і забезпечення їх самоочищення.

10.2.3. Забруднення ґрунту

Найпоширеніші забруднювачі ґрунтів, що впливають на фізичні та хімічні процеси, ріст і розвиток рослин, функціо­нування наземних і водних екосистем, — мінеральні добрива, нафтопродукти, важкі метали, радіонукліди, пестициди. Де­які з них цілеспрямовано вносить людина для забезпечення родючості ґрунту чи з метою захисту рослин. Без урахування доз, кліматичних умов, типу ґрунту це може спричинити їх накопичення, пригнічення життєдіяльності рослин і ґрунто­вої фауни, передавання по ланцюгах живлення та несприят­ливий вплив на здоров’я людини.

Мінеральні добрива. Для компенсації втрат мінеральних речовин ґрунтом із зібраним урожаєм і підтримання ро­дючості земель вносять добрива (Нітрогенові, фосфорні та калійні). Вносячи добрива, не завжди враховують хімічний склад ґрунту, агротехніку культури, терміни та норми вне­сення, що призводить до накопичення їх у ґрунті та росли­нах, надходження у поверхневі води зі стоком. Нітрогенові та фосфорні добрива сприяють фіксації Нітрогену, активу­ють діяльність ґрунтових бактерій, актиноміцетів, грибів, які руйнують рештки рослин і тварин, формуючи гумус. Крім того, добрива часто містять важкі метали та радіонукліди. 1 т суперфосфату містить 0,7—0,9 кг Плюмбуму, невеликі кількості радіоактивних елементів — Урану, Радію, Торію, 0,3 кг Кадмію.

Пестициди. Це збірна назва засобів для боротьби з бур’­янами, шкідниками, грибними захворюваннями сільськогос­подарських культур тощо. Деякі речовини використовують для одночасного дозрівання врожаю, скидання листя перед збиранням (дефоліанти). Найбільше їх потребує вирощування рису, винограду, а також зернових і овочевих культур на зро­шуваних землях. Окремі пестициди стійкі в довкіллі, здатні до біоакумуляції, токсичні для людей і тварин (спричинюють отруєння, каліцтва, утворення злоякісних пухлин). Незважа­ючи на пропаганду відмови від пестицидів, їх виробництво зростає. Експерти ВООЗ вважають, що, попри концентру­вання пестицидів (використання упродовж 40 років хлорор­ганічних (ДДТ, гексахлоран) і 30 років фосфорорганічних), кількість хворих на рак не збільшилася і вплив пестицидів менший, ніж стресів, смогу, вихлопів автотранспорту, спа­лювання сміття.

Важкі метали — умовна назва металів, які мають щіль­ність понад 6 г/см³, відносну атомну масу понад 50 да, біль­шість з яких токсична. Джерела надходження важких металів у ґрунти: відкритий видобуток корисних копалин; викиди металургійних заводів, хімічних підприємств, сміттєспалю­вальних фабрик, ТЕС, звалищ відходів; атмосферні опади, пожежі тощо. Поблизу гірничо-металургійних комбінатів у радіусі 5 км спостерігається висока забрудненість ґрунтів важкими металами, у радіусі 20—50 км — менша. Іноді ви­никають «технологічні пустелі», позбавлені гумусу та рос­линності, значною мірою еродовані. Навколо великих ТЕС забруднення відбувається в радіусі 10—20 км. Важкі метали вимиваються і з відвалів золи та шлаків ТЕС. Значно забруд­нені ґрунти поблизу пожвавлених автомагістралей (особливо Плюмбумом, що входить до складу палива).

Важкі метали у ґрунті можуть:

• утворювати малорухливі форми у вигляді малорозчин­них сполук;

• зв’язуватися у стійкі розчинні комплекси з численними органічними лігандами, зокрема гуміновими та фульвокис- лотами;

• мігрувати у вигляді розчинних сполук;

• накопичуватися в рослинах і передаватися ланцюгами живлення;

• поглинатися ґрунтово-поглинальним комплексом;

• потрапляти в організм ґрунтових мешканців.

Рослини мають різну стійкість до важких металів. Окремі види здатні накопичувати значні їх кількості, виступаючи в ролі геоіндикаторів. Цю здатність використовують і для очищення ґрунтів від катіонів важких металів. Важкі метали впливають і на ґрунтову біоту, порушуючи існуючу рівновагу між видами внаслідок їх різної чутливості до забруднення ґрунту. Найстійкіші до важких металів целюлозолітичні бак­терії та мікроскопічні гриби.

Нафтопродукти та нафта потрапляють у ґрунти:

• під час видобутку нафти та природного газу;

• у разі аварій нафтопроводів;

• разом зі стічними водами численних галузей промисло­вості;

• з атмосферними опадами;

• під час роботи техніки на полях;

• змиванням із поверхні автомагістралей, автомийок і транспортних підприємств.

Нафта за високих концентрацій ізолює поживні речови­ни від коренів рослин, робить ґрунтову масу гідрофобною, у процесі згущування утворює асфальтоподібну масу на по­верхні ґрунту, яка ускладнює обмін газами та водою між атмосферою та ґрунтом. Через вміст ароматичних і поліцик- лічних вуглеводів та інших сполук нафта і нафтопродукти токсичні для ґрунтової біоти.

Однак у ґрунті є численні бактерії, гриби та інші організ­ми, здатні вибірково руйнувати ті чи інші компоненти нафти, використовуючи їх як джерело Карбону для створення біо­маси. Нафта з часом руйнується; швидкість цього процесу різна для різних компонентів.

Радіонукліди. Джерела радіоактивних ізотопів у ґрунті:

• розробка родовищ уранових руд;

• випробування ядерної зброї;

• паливно-енергетичний комплекс;

• могильники радіоактивних речовин;

• аварії на АЕС;

• втрати під час переробки уранових руд.

Радіонукліди мігрують як поверхнею ґрунту, так і вглиб. Співвідношення між шляхами міграції зумовлене кліматич­ними умовами, сорбційними властивостями ґрунтів, діяль­ністю ґрунтових мікроорганізмів, розчинністю радіонуклідів, ступенем засвоєння рослинами.

10.2.4. Біозабруднення екосистем

Біозабруднення екосистем — поширення нетипових систем і організмів або поширення типових, але в надто великих кіль­костях, що приносить шкоду людині та довкіллю. Можна виді­лити такі основні аспекти біозабруднення екосистем.

Останніми десятиліттями широкого розповсюдження набули виробництва на основі мікроорганізмів. На біотехно- логічних мікробних виробництвах виготовляють численні лікарські препарати, вітаміни та антибіотики, ферменти, амінокислоти, біополімери, біопластик тощо. У процесі їх виготовлення часто застосовують генетично змінені мікро­організми. Тому зараз особливо актуальна проблема безпеки для довкілля та мешканців міст від мікробних виробництв, бактеріологічних інститутів, що займаються патогенними штамами, відходів цих установ, питання знешкодження гене- тично-змінених мікроорганізмів, що можуть являти серйозну загрозу біозабруднення.

Ще одним видом біозабруднення в екосистемах є по­ширення алергенних рослин-бур’янів. Наприклад, в Україні з кожним роком все нові території захоплює амброзія поли­нолиста (Ambrosia artemisiifolia), що викликає масові алергічні захворювання населення. Амброзія — злісний бур’ян, що утворює велику наземну масу, заввишки 20—180 см (і навіть до 250 см), із міцною кореневою системою, яка може прони­кати в ґрунт до 4 м, зневоднюючи та виснажуючи його. У се­редньому рослина забирає з одного гектара землі до 2 тис. т води. В Україну цей вид потрапив із Північної Америки,

Рис. 10.6. Зарості амброзії полинолистої

уперше виявлений у 1925 році. Амброзія росте на посівах різних культурних рослин, а також поблизу шляхів, будинків і смітників, на пустищах, відвалах різних порід, залізничних насипах, у місцях, де порушений ґрунтовий і рослинний по­крив (новобудови) або завезено новий ґрунт з інших місць тощо. Амброзія захоплює погано оброблені поля, городи, виноградники, баштани, сади, занедбані газони (рис. 10.6.).

Діапазон пристосування цієї рослини дуже великий, а людина своєю недбалістю та безгосподарністю створює найсприятливіші умови для інтенсивного її розмноження. Розмножується амброзія насінням, яке визріває у серпні — вересні, легко обсипається, засмічуючи ґрунт. Одна добре розвинена рослина може дати до 1θ0 тисяч зернин. Схожість насіння зберігається до 10—15 років, за сприятливих умов — до 30—50 років. У кінці квітня — на початку травня насіння проростає. Амброзія, як чужинка, не має природних ворогів (тварини амброзію не їдять) і відзначається великою біологіч­ною активністю. Вона здатна заглушити і витіснити не тільки культурні, а й дикорослі рослини, захоплюючи таким чином нові земельні ділянки та площі. Під час цвітіння, яке триває із середини серпня до кінця жовтня, рослина дуже небезпеч­на: пилок викликає алергію (риніт, сльозотечу, кон’юнктивіт, може викликати навіть набряк легенів), медики називають це амброзійним полінозом (або сінною пропасницею). Слід додати, що у цей період від її пилку страждають астматики, у яких загострюються напади бронхіальної астми.

Ще один наслідок антропогенної діяльності — біоза- бруднення водойм ціанобактеріями. Евтрофікація вод — над­мірне надходження у водойми органічних і мінеральних ре­човин (переважно сполук Нітрогену та фосфору) у складі промислових, комунальних і сільськогосподарських стічних вод — викликає масовий розвиток у воді водоростей. Тільки 1 г фосфатів викликає розвиток у воді 50 кг ціанобактерій. Вода стає каламутною, зеленою (або іншого кольору, за­лежно від розвитку в ній тих чи інших ціанобактерій або водоростей), із неприємними присмаком і запахом, підви­щується рН, унаслідок чого випадають в осад Карбонати Кальцію. «Цвітіння» води — серйозна загроза, оскільки вода не просто непридатна до купання, вона стає небезпечною. У результаті життєдіяльності ціанобактерій, а також у про­цесі їх відмирання, гниття виділяються токсичні речовини: альготоксини, ціанотоксини, підвищується вміст сірководню, метану, аміаку. Під час масового відмирання фітопланкто­ну на дні водойм можуть відкладатися сотні тонн залишків. Розкладення цих залишків знижує вміст кисню у воді. Як наслідок, під впливом евтрофікації у водоймах виникають замори риби та інших гідробіонтів, гине худоба та птахи, які використовували її для водопою, є випадки отруєння людей, які вживали рибу та морепродукти з накопиченими токсич­ними речовинами.

До біозабруднення можна віднести також масове поширен­ня сільськогосподарських трансгенних рослин. Трансгенними рослинами зайнято мільйони гектарів землі у світі (у США, Бразилії, Аргентині, Китаї, Україні). Вирощують трансген- ний бавовник, сою, овочі (картопля, буряк, капуста, морква, селера, огірок, помідор, баклажан, перець, горошок), злакові (кукурудза, пшениця, ячмінь), фрукти та ягоди (диня, слива, груша, виноград, ківі, банан, клюква, малина). Серед науков­ців немає одностайної думки щодо безпечності генетично- модифікованих рослин, оскільки надто мало часу пройшло для об’єктивної оцінки. Є ризик, що трансгенні рослини, потрапляючи у довкілля, можуть нести загрозу природній рівновазі. Масове культивування трансгенного бавовнику, що виділяє ^/-токсин, зменшило популяцію його основно­го шкідника — бавовникової совки Helicoverpa armigera. Але одночасно збільшилась кількість іншого шкідника — клопів із родини Miridae. Це пояснюється тим, що вони стійкі до дії ^/-токсину, і тим, що зменшилась інтенсивність застосу­вання інсектицидів. Трансгенний ріпак перетворюється на супербур’ян, який захоплює все більші території. Виникають нові супербур’яни внаслідок схрещення трансгенних гербі- цидостійких рослин і звичайних бур’янів.

10.3.