Газообразные неорганические соединения и кислоты

Многие газообразные неорганические вещества в соединении с содержащимися в атмосфере парами воды образуют кислоты, способствующие выпадению кислотных дождей. Кислотные дожди - это атмосферные осадки, pH которых ниже, чем 5,5.

У растений диоксид серы нарушает процессы фотосинтеза, дыхания и транспорта органических веществ. Замедляется их рост, повреждаются листья, снижается продуктивность. Токсичной для растений является концентрация диоксида серы - 20 мкг/м3 воздуха. Серная кислота, образующаяся при соединении серного ангидрида с атмосферной водой, повреждает, в первую очередь, зеленые ткани растений. Это приводит к ухудшению физиологического состояния древесных растений, их усыханию.

Во второй половине 20-го века явление постепенного усыхания лесов лесов, главным образом, под влиянием кислотных дождей превратилось в глобальную экологическую проблему (Фрей, 1987). В Северной Европе от них сильно пострадало примерно 50% деревьев прежде всего хвойных пород. Вокруг промышленных центров наблюдается повреждение и усыхание вершин, а затем и целых деревьев. Легкие хронические повреждения деревьев происходят при среднегодовой концентрации S02 в воздухе - 10-30, средние - 20-40, сильные - более 70 мкг/м3. При весеннем таянии снега серная кислота вызывает кислотный шок у корней растений. Корни частично усыхают, начало вегетации растений запаздывает на несколько недель, деревья поражаются болезнями и вредителями. Под действием кислотных дождей и снегов за 1955-1985 гг. сильно понизился водородный показатель тысяч озер

36-2529              71

Европы и Северной Америки, что привело к резкому обеднению их фауны, гибели морских организмов.

Диоксид азота в 1,5-5 раз менее токсичен, чем диоксид серы. Древесные растения поглощают из воздуха и нейтрализуют в органах ассимиляции значительное количество окислов азота и аммиака. У неустойчивых растений под влиянием оксилов азота уменьшается содержание белков и пигментов, нарушаются процессы роста и развития, анатомоморфологическая структура листьев, фотосинтетический аппарат, происходит периферическое повреждение листьев, скручивание их вовнутрь, некроз и отмирание листовых пластинок. При концентрациях в воздухе окислов азота более 80 мкг/м3 наблюдается задержка роста и развития овощных культур, снижается их урожайность.

На расстоянии 0,5 км от предприятия по производству минеральных удобрений средней мощности содержание в атмосферных осадках аммиака в 5 раз, оксилов азота в 5-10 раз, хлора в 10 и более раз, сернистого ангидрида в 3-20 раз выше, чем на расстоянии 3-10 км от него. В результате в зоне до 0.5 км полностью исчезают хвойные породы, лишайники, редки эпифитные мхи, деревья имеют вытянутые побеги, буйное развитие получают нитрофилы (крапива, недотрога, иван-чай), видовое разнообразие растений - низкое. В зоне 0.5-

2. км от предприятия сухостой лиственных пород составляет около 20%, хвойных -100%. На листьях кустарников наблюдаются некрозы, лишайников нет, эпифитные мхи единичны, нет буйного развития нитрофилов. На расстоянии 2-5 км сухостоя хвойных до 70%, среди живых деревьев до 50% древостоя имеют сухие вершины. Появляются лишайники, травы не имеют поражений. В зоне 5-10 км от предприятия участки с нормально развитым древостоем составляют более 60%. На расстоянии более 10 км от предприятия состояние лесов хорошее. В зоне до 3 км растворимые соединения азота и серы мигрируют по почвенному профилю с осадками и достигают уровня грунтовых вод (Гришина, Конорева и др., 1987).

Загрязнение почвы сернистым ангидридом вызывает значительные изменения в структуре почвенной фауны.

Среди зерновых злаковых культур к загрязнению атмосферы наиболее устойчивы рожь, затем ячмень, озимая пшеница и яровая пшеница. Крестоцветные культуры более устойчивы, чем бобовые. Дикорастущие растения обладают лучшей выживаемостью в условиях загрязненного воздуха, чем культурные.

В результате деятельности тепловых электростанций, автотранспорта, лесных пожаров и др. в атмосфере в течение последних 100 лет на 20% увеличилась концентрация углекислого газа. Это привело к повышению температуры внутренних слоев атмосферы за счет поглощения С02 инфракрасной части теплового излучения поверхности Земли, нагреваемой солнцем, и способствовало потеплению климата и некоторому подъему уровня мирового океана из-за таяния арктических и антарктических льдов.

В последние два десятилетия отмечено также существенное понижение концентрации озона в озоновом слое в атмосфере на высоте 25±5 км. Озоновый слой, как известно, поглощает опасное для живых организмов ультрафиолетовое излучение с длиной волны менее 300 нм. Широкое распространение получила фреоновая теория разрушения озонового слоя. Фреоны (хлорфторуглероды) широко используются в качестве хладоагентов, вспенивателей пластмасс, газов-носителей в аэрозольных баллончиках, средств пожаротушения и т.п. Выполнив свою рабочую функцию, большая часть фреонов попадает в верхнюю часть атмосферы, где под действием света разрушается с образованием свободных

атомов хлора по реакции: СР2С/г—СРг + 2С1 Далее атомы хлора интенсивно взаимодействуют с озоном по реакции: Оэ+С/              ^ С/О + Ог- При этом один атом хлора

может разрушить не менее 10 тыс.

К тяжелым металлам относятся металлы, плотность которых выше 5 г/см3. По содержанию в животных и растениях они входят преимущественно в группу микроэлементов (10'

3. -10 5%). В повышенных концентрациях они обладают высокой токсичностью, выступают в качестве мутагенных и канцерогенных факторов.

Наряду с долгоживущими радионуклидами, многими тысячами органических веществ преимущественно синтетического происхождения, тяжелые металлы входят в состав основных экотоксикантов Земли.

За счет антропогенных загрязнений концентрация кадмия в окружающей среде превышает почти в 9 раз, меди - в 3, никеля - в 2, свинца - более, чем в 18, цинка - в 7 раз их содержание в естественных условиях. Только от металлургических предприятий на поверхность земли ежегодно поступает меди не менее 154,6 тыс. тонн, цинка - 121,5, свинца 89,0, никеля -12,0, кобальта - 0,8, молибдена -1,5, ртути - 0,03; вследствие сжигания угля и нефти ежегодно выпадает ртути - 1,6, свинца - 36,0, меди - 2,1, цинка - 0,7, никеля - 3,7; с выхлопными газами автотранспорта на поверхность Земли ежегодно выбрасывается свинца - 260,0 тыс. тонн. В настоящее время более чем в 100 городах России, где проживает свыше 70 млн. человек, ПДК токсических тяжелых металлов превышает пятикратную величину. В живых организмах тяжелые металлы в избыточном количестве вызывают нарушения биохимических процессов обмена веществ, подавляя или активируя деятельность многих ферментов. Тяжелые металлы представляют наибольшую угрозу для первых стадий развития сельскохозяйственных растений (проростков, всходов). Под их действием ухудшается рост корней, побегов, происходит некроз листьев. Не рекомендуется выращивать сельскохозяйственные культуры на расстоянии менее 5-7 км от источников выбросов тяжелых металлов как в открытом, так и в закрытом грунте.

Среди тяжелых металлов 13 металлов (Ве, А1, Сг, Аэ, Эе, Ад, Сс1, Бп, ЭЬ, Ва, Нд, Те, РЬ) токсичны во всех своих водо-, щелоче-, кислоторастворимых соединениях. Среди них группу неорганических экотоксинов возглавляют кадмий, свинец и ртуть (Пурмаль, 1998).

Объем современного производства свинца составляет более 2,5 млн. т. в год. В результате производственной деятельности в природные воды ежегодно попадает 500-600 тыс. тонн свинца, а через атмосферу на поверхность земли его оседает около 450 тыс. тонн. В воздух основная часть свинца (260 тыс. тонн) выбрасывается с выхлопными газами автотранспорта, меньшая (30 тыс. тонн) при сжигании каменного угля. Ежегодный прирост содержания РЬ в воздухе - 5%, а удвоение его количества в воздухе происходит за 14 лет. Величина ПДК РЬ в воздухе - 3 мкг/м3, почве - 20 мг/кг, воде - 0,03 мг/л. Среднее содержание свинца в большинстве растений — 2-5 мг/кг С растительной пищей РЬ попадает в организм животных и человека. Содержание РЬ в воздухе в значительной мере зависит ог использования бензина с добавлением тетраэтилсвинца. В настоящее время в России только 25% бензина производится без добавления тетраэтилсвинца. У позвоночных животных свыше 90% всосавшегося свинца фиксируется в костях, а также во внутренних органах. При неполноценном питании поступление РЬ в кровь увеличивается. Содержание РЬ в хлорированной водопроводной воде больше, чем в нехлорированной.

В воздух Сс1, как и свинец, поступает при сжигании угля, нефтепродуктов, природного газа на теплоэлектростанциях, с газовыми выбросами предприятий, производящих или использующих кадмий, внесением в почву минеральных удобрений и навоза.

73

кадмия в основных продуктах питания - 0,01-0,10 мг/кг Больше всего Сс1 накапливается в почках и печени, что приводит к развитию почечной недостаточности.

Высокой токсичностью обладают пары ртути и ее соединения. Сама жидкая ртуть не обладает выраженными токсическими свойствами. ПДК ртути в воздухе - 3-10 5 мг/м3, воде -5-10'5 мг/л. Примерно половина выбросов ртути в окружающую среду природного происхождения (из-за дегазации земной коры). При поступлении в легкие ртуть задерживается почти полностью. В организм человека ртуть поступает в наибольшей мере с рыбопродуктами, где накапливается преимущественно в печени и почках.

Алюминий - наиболее распространенный металл, на его долю приходится 8,8% массы земной коры. Его содержание в живом веществе в естественных условиях составляет в среднем 5 Ю'3%. Однако в живых организмах А1 не выполняет какой-либо физиологической функции, отличается крайне низкой биофильностью (0,0006), относится к слабовыра- женным и инертным элементам. У человека А1 сравнительно легко выводится из организма, его накопление и проявление токсичности наблюдаются при нарушении функции почек. В водоемах под влиянием кислотных дождей, растворяющих природные малорастворимые алюмосиликатные породы, повышается концентрация катионов алюминия, что приводит к гибели рыб, земноводных, моллюсков. У человека соединения А1 вызывают развитие хрупкости костей, анемии, нарушений речи, ориентации. Среди пищевых продуктов наиболее высокая концентрация алюминия отмечена в чае (до 20 мг/г).

Концентрация тяжелых металлов в растениях в значительной мере зависит от их содержания в почве, а в теле животных от их количества в пище. Имеют значение также видовые особенности растений и животных. Животные поглощают только подвижные формы элементов, и поэтому концентрация загрязнителя в животных будет отражать фактическую загрязненность экосистемы, а не потенциальную, которую получают при определении концентрации загрязнителя в почве или растениях.

Хорошим индикатором загрязнений окружающей среды тяжелыми металлами является содержание их в организме позвоночных животных, особенно млекопитающих, а также почвенных беспозвоночных. При выборе видов позвоночных в качестве биоиндикаторов необходимо руководствоваться следующими критериями (Степанов, Попов и др., 1987).

1. Выбранные виды должны принадлежать к разным звеньям трофодинамической цепи. Степень концентрации тяжелых металлов и многих других токсикантов постепенно увеличивается от биокосной среды (почвы) к автотрофам (зеленым растениям) и далее к гете- ротрофам, достигая максимума в организмах крупных хищников. Следовательно, для биоиндикации необходимо отобрать представителей растительноядных (зерноядных), насекомоядных, хищных позвоночных.
2. У избранных видов должны отсутствовать большие миграции, так как накопление токсичных веществ в организме прямо пропорционально уровню загрязнения окружающей среды.
3. Для сравнимости данных по различным районам лучше брать для анализа особи одних и тех же видов с широкими ареалами.
4. Виды должны обладать сравнительно высокой эвритопностью, то есть встречаться в различных местообитаниях.
5. Желательно использовать виды, живущие в естественных сообществах, не связанные с человеком.
6. Виды должны быть сравнительно многочисленными, легко добываемыми.

В водоемах этим требованиям удовлетворяет следующая цепь: вода, донный грунт

• водные растения - водные беспозвоночные - плотва - судак. Судак повсеместно одна из самых загрязненных рыб. Лучшим индикатором из земноводных является зеленая жаба, пресмыкающихся - прыткая ящерица, питающиеся наземными беспозвоночными. Птицы наиболее подвижные позвоночные, многие из них улетают на зимовку. В связи с этим они мало пригодны для целей мониторинга загрязнения среды обитания. Более перспективны в этом отношении оседлые виды.

Среди млекопитающих в европейской части России названным критериям больше всего удовлетворяют, обыкновенная бурозубка, европейский крот, рыжая и красная полевки. Тяжелые металлы у них больше всего накапливаются в легких, печени, почках, костях, шкуре. Отобранные в лаборатории для анализа органы и ткани нужно сразу высушить в сушильном шкафу при 105°С и хранить в стеклянных бюксах, пергаментных или крафтовых пакетах.

Для целей биоиндикации большой интерес представляет почвенная фауна, составляющая 90-99% биомассы и 95% всех видов животных, входящих в наземный биоценоз. По-

74

всеместно наиболее чувствительной группой к воздействию загрязнений оказались дождевые черви. Они достаточно точно отражают концентрацию металлов в почве и накапливают металлы в 3-5 раз больше, чем их содержится в почве. Дождевые черви в значительной степени концентрируют магний, железо медь, свинец, марганец, цинк. Обычные в лесостепи двупарноногие многоножки, в частности, кивсяки также являются сапрофагами и отличаются повышенным концентрациями в тканях магния, марганца, меди, цинка, свинца (Покаржевский, 1985).

Одним из распространенных методов биоиндикации загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами и другими токсикантами является выбор участков для исследований на различных расстояниях от источника загрязнений в зависимости от его мощности и путей распространения загрязнителей. При этом учитывается направление преобладающих ветров, течения водных потоков и т.д. Для сравнительно мощных промышленных предприятий такие участки выбирают на расстоянии 0-0,5, 0,5-1,0,1,0-5,0, 5-10,10-20, 20-50 км от источника загрязнений. Для контроля исследования проводят на незагрязненной территории со сходными экологическими условиями.

Учеты мелких млекоптающих и почвенной мезофауны проводят на следующих расстояниях от автомагистралей: 5^7, 20-25, 70-250, 700-1500 м (Королева, 1985). Придорожные (5-7 м) участки, по сравнению с контрольными, характеризуются более высокой численностью и большим разнообразием видов мелких млекопитающих. При этом в их микропопуляциях происходит увеличение доли самцов при снижении массы и размеров тела животных, что является результатом повышенных концентраций кадмия, цинка, никеля. Активно накапливают тяжелые металлы обыкновенная бурозубка и рыжая полевка. Наиболее высокое содержание свинца, цинка, никеля отмечается в костях, кадмия, меди - в печени обыкновенной бурозубки, свинца - в печени, меди - в шкуре рыжей полевки.

У шоссе с интенсивным движением транспорта общая численность почвенной фауны снижается в 5 раз, у шоссе со слабой интенсивностью движения в 1,5 раза. Наиболее сильно падает численность дождевых червей, пауков, кивсяков, жужелиц, стафилинид. Вблизи автомобильных дорог возрастает численность фитофагов и снижается обилие хищников и сапрофагов.

Для индикации среднего и высокого уровней загрязнения тяжелыми металлами чаще используют микроорганизмы (бактерии, грибы, водоросли, простейшие). В частности, при концентрации меди 300-400, никеля 600-700 мг/кг почвы начинает снижаться численность азотфиксирующих, нитрифицирующих, аммонифицирующих бактерий. Затем уменьшается количество целлюлозоразрушающих бактерий. При концентрации меди 400-1200, никеля 600-700 мг/кг почвы происходит смена доминантов, снижается количество неспорообразу ющих сапрофитных бактерий.