Характеристика основных гидрополлютантов

Гидросфера – водная оболочка Земли, включающая ресурсы океанов, рек, озёр, прудов, болот, подземных вод, т. е. все воды, не связанные физически и химически. Вода является самым обильным и ценным ресурсом на Земле. Общемировые запасы воды огромны. Если бы распределить их поровну, то на каждого жителя планеты пришлось бы 280 млрд литров. Однако 94–97% всей гидросферы – воды океанов и морей, только 2,5–2,8 % пресная вода, из неё 0,6–1 % в жидком состоянии, а остальное – льды [2]. Гидросфера – самая тонкая оболочка Земли, для практического использования пригодна только её незначительная часть. В России запас поверхностных пресных вод равен 28 000 км3 (из них 82 % содержится в озере Байкал). Из 15 крупнейших рек мира 4 текут по территории нашей страны.

АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ГИДРОСФЕРУ

ЛЕКЦИЯ 7

Истощение, загрязнение и засорение водных ресурсов. Классификация загрязнений. Характеристика основных гидрополлютантов. Антропогенные изменения в Мировом океане. Самоочищение водоемов.

Вода – самое распространённое на поверхности земли химическое соединение. Она – единственное вещество, которое встречается в природе во всех трех агрегатных состояниях – твёрдом, жидком и газообразном. Вода является универсальным растворителем, она растворяет солей и других веществ больше, чем любое другое вещество. Для жизни организмов важными являются такие характеристики водной среды, как кислотность, количество растворенных газов, температура, прозрачность, соленость. Кислотность воды оценивается показателем рН = -lg[H⁺], который для большинства водных обитателей должен составлять 5÷9, при изменении рН, выходящим за пределы этого диапазона, наблюдается массовая гибель живых организмов. Прозрачность воды зависит от количества взвешенных в ней минеральных частиц (глины, ила, торфа), от наличия мелких животных и растительных организмов. Соленость связна с содержанием в ней растворенных солей (карбонатов, сульфатов и т. д.). В пресных водах их содержание не велико, а воды Мирового океана имеют соленость до 35 г/л, воды Черного моря – 19 г/л, а Мертвого – 260 г/л.

Вода находится в непрерывном замкнутом процессе перемещения, включающем её накопление, испарение и перераспределение. Этот естественный процесс рециркуляции воды известен как круговорот воды. Неравномерный характер выпадения атмосферных осадков в различных регионах мира, в том числе и в нашей стране, обусловил дефицит пресной воды в одних районах и избыток – в других. Человечество предпринимало многочисленные попытки исправить подобный дисбаланс. Воду накапливали в водохранилищах, создаваемых плотинами, перебрасывали воду рек из одного района в другой, использовали её подземные запасы, пытались сократить потребление воды и уберечь её от загрязнения. Однако, несмотря на все усилия, вода остаётся в числе самых нерационально используемых ресурсов планеты. В результате интенсивного использования водных ресурсов происходят не только безвозвратные потери пресной воды, но и ухудшается её качество

Водоёмкость всего человеческого хозяйства достигла 20 тыс км³/г, что составляет почти 11 % годового стока всех рек мира. Самым крупным водопотребителем в большинстве стран мира является сельское хозяйство, затем промышленность, включая энергетику и, наконец, коммунальное хозяйство (табл. 3).

Таблица 3

Доля использования воды в основных отраслях водопотребления к общему потреблению воды в стране (1991 г.), % [18]

Водопользователь	Россия	США	Франция	Финляндия
Сельское хозяйство
Промышленность
Коммунальное хозяйство

Расходование воды предприятиями различных групп характеризуется значительной неравномерностью. Для оценки объёмов промышленного водопотребления используют понятие «водоёмкость производства», под которой понимают объём воды (м³), необходимый для производства 1 т продукции. В табл. 4 приведена водоёмкость различных видов производств.

Наибольшим водопотреблением в промышленности отличается энергетика, химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная отрасли, чёрная и цветная металлургия. ТЭС мощностью 300 МВт потребляет 120 м³ воды в секунду или это 300 млн м³/год. Особенно быстро водопотребление в промышленности выросло в XX столетии, так как начали развиваться чрезвычайно водоёмкие отрасли производства, такие как органический синтез и нефтехимия.

Таблица 4

Водоёмкость различных видов производств [18]

Вид промышленной продукции	Водоёмкость, м^3/т
Химическое волокно	2000-3000
Целлюлоза	1000-1500
Пластмасса	500-1000
Медь	400-500
Сталь	200-250
Чугун	160-200
Добыча и обогащение руды	2-4

В сельском хозяйстве высокое водопотребление связано в основном с орошаемым земледелием. Чтобы вырастить 1 т пшеницы за вегетативный период требуется 1500 м³, 1 т риса – 8000 м³, 1 т хлопка – 5000 м³. В условиях быстрых темпов роста населения планеты орошению отводится всё большая роль в повышении эффективности земледелия как основного источника обеспечения людей продуктами питания.

Особое место в использовании водных ресурсов занимает коммунальное хозяйство: для хозяйственно-питьевых и коммунально-бытовых целей. Для питья человек расходует в сутки 2,0–2,5 л. По СНиП в России норматив расхода воды в сутки на одного человека составляет 250 л, для сравнения в других развитых странах – 150 –200 л. В разных странах и разных городах расход воды разный, л/(сут · чел):

Екатеринбург ………………..
Москва ………………………
Челябинск …………………...
В среднем по России ……….
Венгрия ……………………...
США …………………………
Дания ………………………...
Германия …………………….
Индия ………………………..
Ирак ………………………….

Чрезмерное выкачивание воды в связи с увеличением её потребления привело к понижению уровня грунтовых вод на всех континентах [19]. В Китае и Индии, двух крупных по численности населения странах мира, запасы продовольствия зависят от орошаемого земледелия. В Индии отбор воды из водоносных горизонтов в 2 с лишним раза превышает её накопление, поэтому в Индии почти повсеместно уровни водоносных грунтов с пресной водой снижаются на 1–3 м ежегодно. На острове Майорка (у побережья Испании) в настоящее время вообще нет пресных вод, потребности жителей острова обеспечивают три опреснителя. Остров состоит из скальных пород, считается, что раньше он был частью континента. Запасы пресной воды на Майорке после отделения её от Пиренейского полуострова были очень велики. Для того чтобы обрабатывать болотистую местность жители острова в прошлые столетия выкачивали воду с помощью ветряных установок. Оказалось, что этой водой были всего лишь заполнены пустоты в скальных породах.

Потребление воды ежегодно увеличивается, человек использует намного больше её запасов, поэтому в недалёком “будущем” во многих странах может появиться проблема нехватки воды. Дефицит пресной воды уже ощущается в Нидерландах, Бельгии, Люксембурге, Венгрии. Дистиллированную воду используют в Кувейте, Алжире, Ливии, мощные опреснители стоят в Калифорнии и Аклахоме. По данным Всемирной организации здравоохранения от нехватки воды страдает 1,2 млрд человек. Водообеспеченность населения у нас в стране одна из самых высоких в мире, поэтому пресная вода расходуется крайне неэкономно. А трудности с обеспечением населения качественной питьевой водой уже есть. Возможно когда-то мы будем получать пресную воду из морской, но нужно сказать, что методы опреснения дороги и сложны.

Учёные считают, что на Земле нет кристально чистой воды, и вся пресная вода уже прошла техносферу [20], поэтому она меняет свой качественный состав. Основной причиной современной деградации природных вод земли является антропогенное загрязнение. Главные источники его:

- сточные воды промышленных предприятий;

- сточные воды коммунального хозяйства городов и других населённых пунктов;

- стоки систем орошения, поверхностные стоки с полей и других сельскохозяйственных объектов;

- атмосферные выпадения загрязнителей на поверхность водоёмов и водосборных бассейнов.

Антропогенное загрязнение гидросферы в настоящее время приобрело глобальный характер и существенно уменьшило доступные эксплуатационные ресурсы пресной воды на планете. Общий объём промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых стоков составляет ≈ 1300 км³. Общая масса загрязнителей гидросферы ≈ 15 млрд т в год [2].

Классификация загрязнений

1. Механическое (засорение) – затопленные деревья при сплаве леса, банки и прочий мусор. Засорение рек усиливается в результате сброса в них отходов лесоперерабатывающих предприятий (кора, опилки и т. д.)

2. Химическое (загрязнение) – наличие в воде органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия. Самые разнообразные по составу и свойствам химические соединения. К наиболее опасным загрязнителям гидросферы относят соли тяжёлых металлов, фенолы, пестициды, нефтепродукты, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), минеральные удобрения.

3. Бактериальное и биологическое (заражение) – наличие в воде патогенных микроорганизмов, грибов и мелких водорослей. Такие воды могут явиться причиной возникновения инфекционных заболеваний.

4. Радиоактивное – загрязнение радиоактивными веществами.

5. Тепловое – выпуск подогретых вод ТЭС и АЭС. Повышение температуры воды приводит к уменьшению содержания растворённого кислорода, увеличению токсичности загрязняющих воду примесей, нарушению биологического равновесия, смене видового состава водных организмов. С повышением температуры в загрязнённой воде наблюдается бурное размножение болезнетворных организмов.

В таблице 5 приведены ориентировочные количества загрязнителей, ежегодно попадающих в гидросферу.

Таблица 5

Ориентировочные количества массовых загрязнителей океана и континентальных вод планеты [2]

Вещества	млн т/г
Затонувшие суда, плавающий и погружённый мусор
Взвешенные вещества техногенного происхождения
Растворённые неорганические вещества:
минеральные удобрения
соли тяжёлых металлов
Синтетические органические вещества
моющие средства СПАВ
фенолы и др. циклические углеводороды
пестициды
Биогенная органика
Нефтепродукты
Аэрогенные выпадения техногенной природы

Нефть [21-22] один из распространённых видов природного сырья. Нефть – вязкая маслянистая жидкость, имеющая тёмно-коричневый цвет, специфический запах и слабую флуоресценцию. Основные компоненты нефти – углеводороды (до 98 %). Кроме углеводородов в нефти содержатся кислородные, сернистые и азотистые органические соединения.

Первоначально нефть применялась для получения топлива, впоследствии стала основой для развития нефтехимии. Транспортировка нефти от места добычи до места переработки осуществляется по нефтепроводам и с помощью нефтеналивных танкеров. Попадает нефть в мировой океан при “аварийных” разливах, а также при использовании в качестве топлива и смазочных материалов в морском судоходстве, причём второй путь во много раз превышает первый.

Углеводороды нефти подразделяют на 4 класса.

1. Парафины (алканы) (до 90 % общего состава) – устойчивые вещества, молекулы которых выражены прямой и разветвлённой цепью атомов углерода (насыщенные углеводороды). Например, метан CH₄, этан С₂Н₆.

2. Циклопарафины (30–60 % от общего состава) – насыщенные циклические углеводороды с 5–6 атомами углерода в кольце. Например, циклопентан С₅Н₁₀. В нефти встречаются бициклические и полициклические соединения этой группы. Эти соединения очень устойчивы и плохо поддаются биоразложению.

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

4. Олефины (алкены) – до 10 % от общего состава – ненасыщенные нециклические углеводороды, имеющие прямую или разветвлённую цепь и одну двойную связь:

CH₂ = CH₂

этилен

Соотношение этих 4 классов углеводородов в нефти зависит от её сорта.

Загрязнение нефтью и нефтепродуктами достигло 1/5 общей поверхности мирового океана. При попадании на водную поверхность нефть растекается и образует тонкую плёнку. Часть компонентов нефти растворяется, тяжёлые фракции нефти оседают на дно, изменяя качества воды: вкус, запах, цвет, вязкость, вода приобретает токсические свойства. Скорость перечисленных процессов зависит от многих факторов: сорта нефти, плотности, условий погодных, температуры и состава морской воды.

Влияние нефти на окружающую среду можно рассматривать как механическое и токсическое. В первом случае нефтяная плёнка нарушает газовый обмен океана и атмосферы углекислым газом CO₂ и кислородом O₂, поэтому препятствует дыханию водных организмов, а также их питанию и передвижению. Нефть попадает в дыхательные пути животных, вызывает их гибель. У морских птиц оперение покрыто водоотталкивающей жировой смазкой, предохраняющей тело от контакта с водой. При попадании нефти на оперение слой смазки нарушается, птица “намокает” в воде, что приводит к переохлаждению её тела.

Растворённая в воде нефть может оказывать токсическое действие на морские организмы, особенно на развивающиеся. Гибнут личинки морских организмов, икра, мальки рождаются с уродствами. Составные компоненты нефти накапливаются в жировой и мышечных тканях морских животных. Например, сильным канцерогеном является бенз(а)пирен. Он попадает в организм человека по пищевой цепочке.

Процессы биодеструкции нефти крайне замедленны, поэтому разработаны различные способы ликвидации разливов нефти: использование заграждений, ограничивающих распространение нефти по поверхности воды, удаление или выжигание. Крупные разливы нефти при определённых обстоятельствах сжигают. Удаляют нефть в основном механически, но созданы и химические средства для ускорения процессов очистки воды от нефти, под их действием идут процессы диспергирования нефти (образования эмульсий). Для этих целей используют сорбенты (диатомит, вермикулит). Диатомит – осадочная порода на основе диатомовых водорослей, обладает большой пористостью и малой плотностью. Вермикулит – алюмосиликатный минерал, образуется при выветривании магнезиально-железистых руд.

Тяжёлые металлы. В основном загрязнителями гидросферы являются хром, никель, медь, цинк, свинец, ртуть, кадмий. Попадают в воду они или из атмосферы, или при сбросе сточных вод. Ежегодное антропогенное загрязнение Мирового океана составляет: свинец ~2,1·10⁶ т, ртуть ~7,0·10³ т, кадмий ~1,7·10⁴ т [2]. Тяжёлые металлы в воде адсорбируются на поверхности твёрдых частиц и выводятся из раствора или образуют комплексы с органическими и неорганическими лигандами, коллоиды. Растворённые тяжёлые металлы переходят в осадки. Например, за 100 лет содержание ртути в донных осадках увеличилось в 100 раз, высокое содержание ртути обнаружено в водах Балтийского и Северного морей. Ртуть попадает в окружающую среду при сжигании топлива, работы предприятий цветной металлургии, использовании в сельском хозяйстве как фунгицида для протравливания посевного материала, в качестве катализатора при синтезе пластмасс.

Большинство тяжёлых металлов – клеточные яды. Растворённая форма обычно токсичнее связанной, металлы, связанные с органическими. соединениями, токсичнее неорганических форм. Некоторые металлы действуют как синергисты: токсический эффект цинка и меди совместно в 8 раз превышает токсичность каждого из этих металлов, взятого в отдельности в таком же количестве. Повышенное содержание тяжёлых металлов в водах Мирового океана имеет негативные последствия как для гидробионтов, так и для людей, использующих морепродукты для питания.

Пестициды – собирательный термин, охватывающий химические соединения различных классов, применяемые для борьбы с вредными организмами в сельском хозяйстве, здравоохранении, промышленности и многих других случаях. Известно об использовании пестицидов природного происхождения ещё с Александра Македонского, когда порошок далматской ромашки применяли для борьбы с паразитами человека. В здравоохранении пестициды применяют для борьбы с переносчиками опасных заболеваний, как чума, малярия, многие кишечные заболевания и т. п. В промышленности для предохранения неметаллических материалов (древесины, текстильных изделий), для предохранения труб от коррозии. Большая часть пестицидов используется в сельском хозяйстве.

В качестве пестицидов применяют как неорганические, так и органические соединения, большинство современных пестицидов – синтетические вещества. Пестициды – очень устойчивые соединения, которые разрушаются в окружающей среде крайне медленно. Особенности химической структуры обуславливают их устойчивость к воздействию как физико-химических факторов окружающей среды (окислению, гидролизу, фотохимическому разложению и т. п.) так и биодеструкции (метаболичекому разложению под действием микроорганизмов и гидробионтов).

В окружающей среде происходит накопление токсичных веществ по пищевым цепям и аккумуляция их в организме животных. Первый пестицид ДДТ (дуст) был рекомендован к применению в 1938 г.

Его создатель – швейцарский химик Мюллер – получил за это открытие Нобелевскую премию. Пестицидом посыпали поля, с осадками и при поливе происходил смыв почвы в реки, и накопление ДДТ в водных организмах.

Накопление вещества в организме можно оценить коэффициентом накопления:

Наибольшую опасность представляет накопление ядовитых веществ именно в водных организмах, поскольку концентрирование в них ядов происходит интенсивнее, чем в наземных организмах вследствие большей длины водных пищевых цепей по сравнению с наземными.

Токсичные вещества не могут быть переварены или выведены из организма, поэтому происходит их накопление по ходу пищевой цепи. Накопление ядов в пищевых цепях нередко усиливается из-за меньшей скорости реакции и ограниченной подвижности животных, несущих в себе яд. Сильнее отравленные особи легче становятся добычей хищника, чем все остальные. В последующем ядовитые вещества могут переходить к птицам, питающимся рыбой, ластоногим и к человеку.

На рис. 11 над пищевой цепью указано во сколько раз происходит увеличение содержания ядов при передаче от одного организма к другому, под пищевой цепью – коэффициенты накопления.

Рассмотрим водную пищевую цепь, протекающую в сторону увеличения размеров тела:

10 50 5 2 25

Растворённые вещества - фитопланктон – рачки – рыбы - хищные рыбы – теплокровные животные, питающиеся рыбой

Коэффициент 10 500 2500 5000 125000

накопления

Рис. 11. Накопление токсикантов в водной пищевой цепи [16]

ДДТ запрещён к применению с 1970 г., однако до сих пор его находят в крови и жировой ткани людей и даже в теле пингвинов Антарктиды.

Больше всего случаев отравления пестицидами приходится на развивающиеся страны, такие как Гондурас, Нигерия, Эквадор и др. Малограмотность населения этих стран приводит к несоблюдению ими инструкций по применению пестицидов, сбросу остатков и упаковочной тары в реки, применению ядов не по назначению (например, для лечения людей от глистов). Сельскохозяйственная продукция развивающихся стран попадает на Мировой рынок и поэтому неконтролируемое использование пестицидов может приводить к глобальным проблемам, связанным с отравлением большого количества людей. Пестицид ДДТ был первым пестицидом, поэтому он хорошо изучен в токсикологическом отношении. Те инсектициды, которые пришли ему на смену, не менее токсичны, но менее изучены.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) – группа различных по химической структуре веществ, обладающих способностью понижать поверхностное натяжение жидкостей. Это свойство ПАВ обусловило их использование в нефтедобывающей, текстильной, пищевой и других отраслях промышленности, а также в качестве бытовых моющих средств. Поступают ПАВ в Мировой океан с бытовыми и промышленными сточными водами, а также при устранении нефтяных загрязнений морской воды.

ПАВ обладают токсическим эффектом, но меньшим, чем пестициды. Они взаимодействуют с плазматической клеточной мембраной, нарушают её структуру и функционирование. Характерным последствием воздействия ПАВ на организм теплокровных является повышение уровня холестерина в крови, развитие атеросклеротического поражения сосудов. При длительном контакте с организмом ПАВ воздействуют на иммунную систему, что приводит к развитию аллергических заболеваний – дерматитов, бронхитов, астмы и т. п.

ПАВ обладают слабым кумулятивным эффектом, а также могут усиливать токсическое действие пестицидов. Если животным вводить одновременно пестициды и ПАВ, то содержание пестицидов в крови и тканях животных увеличивается в 1,5–3,5 раза по сравнению с контрольной группой [22].

В водоёме ПАВ нарушают процессы самоочищения, так как на их окисление расходуется большое количество растворённого кислорода. Они затрудняют дыхание водных организмов, активизируют процессы всасывания других токсичных веществ.

Особое опасение вызывает радиоактивное загрязнение Мирового океана. Вопросу радиационного загрязнения окружающей среды будет посвящена отдельная лекция, во-первых, потому что оно носит глобальный характер, а во-вторых, принципиально отличается фактор воздействия на окружающую среду. Поражающим фактором в подавляющем большинстве случаев выступает не химическая природа веществ, а физический фактор – ионизирующее излучение.

Дата добавления: 2014-01-04