1 Литературный обзор
1.1 Источники загрязняющих веществ
Человек в процессе своей деятельности производит огромное количество химических веществ, которые негативно воздействуют на окружающую среду. Все производимые вещества можно разделить на четыре типа: исходные вещества (сырье), промежуточные вещества, конечный продукт, побочный продукт (отход). Отходы появляются на всех стадиях производства конечных продуктов, при этом любой конечный продукт после использования также становится отходом. Согласно оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) в различных отраслях антропогенной деятельности из 6 млн. известных соединений активно используются 500 тыс. Из них 40 тыс. веществ обладают вредными для человека свойствами. Поступление токсичных соединений в окружающую среду приводят к возникновению проблемы химического загрязнения. Загрязняющие вещества являются экологически опасными факторами. Они нарушают структуру популяций, потоки веществ и энергии, снижают продуктивность, видовое разнообразие и устойчивость отдельных экосистем и биосферы в целом.
Отдельные виды или индивидуумы растений обладают разной чувствительностью к воздействию загрязняющих веществ. В основе этого явления лежит совокупность клеточно-молекулярных механизмов, поддерживающих гомеостаз и целостность растения на молекулярном, клеточном, организменном и популяционном уровне в условиях токсического действия загрязнителей. Эти механизмы обеспечивают устойчивость растений при стрессовых действиях химического загрязнения.
Под биологической устойчивостью понимается способность организмов сохранять свою структуру, функциональные особенности и давать потомство при воздействии внешних неблагоприятных факторов [5].
Устойчивость растений к химическому загрязнению можно определить как способность переносить воздействие повышенной концентрации загрязняющих веществ. В основе устойчивости растений к химическому загрязнению лежат адаптации морфофизиологического характера, позволяющие переносить повышение концентрации загрязняющих веществ в окружающей среде и в организме растения.
Адаптацию растений к химическому загрязнению можно определить как процесс приспособления организма в ходе эволюции к изменению химического состава окружающей среды, включая морфофизиологическую и поведенческую составляющие. Адаптация может обеспечивать выживаемость в условиях конкретного местообитания, устойчивость к воздействию факторов химического загрязнения, а также успех в конкуренции с другими видами или популяциями.
В условиях усиливающегося химического воздействия повышенный интерес вызывают механизмы сохранения, выживания, адаптации растений на разных уровнях организации, а также возможности использования растений в биомониторинге и фиторемедитации загрязненных территорий.
Основные источники химических веществ в окружающей среде можно разделить на два вида: естественные и антропогенные.
Естественные источники тяжелых металлов. Главным природным источником металлов являются горные породы. Тяжелые металлы образуют большое количество природных соединений – сульфатов, сульфидов, фосфатов, карбонатов и др. Например, ртуть входит в 16 минералов, свинец и медь – в 200. Большое количество тяжелых металлов обнаружено в составе глинистых минералов и органоминеральных соединений почвы.
Среднее содержание тяжелых металлов в земной коре и отдельных породах представлено в табл. 1. При выветривании горных пород и минералов тяжелые металлы поступают в почвы и другие планетарные оболочки: гидросферу, атмосферу и биосферу [7].
Таблица 1
Распространение тяжелых металлов в земной коре, мг/кг
Элемент Земная кора Породы
Гранит Базальт Карбонаты Глинистые Песчаные
As 3,4 1,5 - 1-3 10-13 -
Cd 0,10 0,09 - 0,16 0,13 -
Co 19 4 - 2 19 -
Cr 80 12 - 11 90 -
Cu 35 13 - 4 45 -
Mg 23000 4000 - 47000 14000 -
Mn 800 325 1400 700 850 50
Mo 1.5 1.8 - 0.4 1.3 -
Ni 45 7 134 15 68 -
Pb 15 32 - 5 22 -
Tl 0.5 1.0 0.7 0.05 0.7 -
Zn 69 50 - 23 95 -
Другим естественным источником тяжелых металлов выступает вулканическая деятельность. Большое количество металлов попадает в атмосферу вследствие лесных пожаров, эрозии почв, испарения с поверхности океанов, поступления космической пыли. Например, содержание цинка в атмосфере Южного Полюса составляет 0,002 – 0,05 нг/м3 , Норвегии – 10, Японии – 14 – 6800, йГермании 550 – 1600 [8].
Естественные источники газообразных загрязнителей и пыли. К природным источникам газообразных соединений и пыли можно отнести вулканическую активность, лесные и степные пожары, почвенную эрозию почв, пыльные бури, морские брызги, биогенные аэрозоли (пыльца, споры, микроорганизмы и др.).
Естественные источники органического загрязнения. Определенная часть загрязняющих органических веществ поступает в окружающую среду за счёт естественных процессов. Органическая часть почв содержит растворимые легкоподвижные соединения – битумоиды, в состав которых входит широкий спектр углеводородов. Большим количеством этих соединений обладают богатые органикой торфяно-болотные почвы и черноземы. В составе растворимой фракции органического вещества обнаруживаются разнообразные углеводороды: алканы, изопреноиды, алкены, алкины, нафтены, арены, гетероциклические углеводороды, серо-, азот- и галогенсодержащие углеводороды. Водорастворимые углеводороды вовлекаются в геохимическую миграцию и поступают в водные объекты и подземные воды. Другим естественным источником органических веществ, загрязняющих среду, являются вертикальные «ореолы рассеяния» нефтяных залежей.
Антропогенные источники загрязняющих веществ. Основным источником большинства загрязняющих веществ служит антропогенная деятельность. По своему характеру антропогенные источники загрязнения делятся на стационарные и нестационарные.
К стационарным источникам относятся различные отрасли промышленности:
- химическая и нефтехимическая;
- цветная и черная металлургия;
- машиностроение;
- деревообрабатывающая и целлюлозно-бумажная;
- энергетическая;
- сельское хозяйство.
Наиболее распространенными выбросами промышленности являются зола, пыль, оксиды металлов, сернистый ангидрид, сероводород, меркаптан, альдегиды, углеводороды, смолы, оксид и диоксид азота, аммиак, озон, оксид и диоксид углерода, фтористый и хлористый водород, кремнефтористый натрий, радиоактивные газы и аэрозоли.
Главным нестационарным источником загрязняющих веществ выступает автотранспорт. Темпы прироста парка автомобилей за последний год составили в среднем по Казахстану около 17%. На долю автомобилей приходится 25 % сжигаемого топлива. За время эксплуатации, равное 6 годам, один усредненный автомобиль выбрасывает в атмосферу
- 9 т CO2,
- 0,9 т CO,
- 0,25 т NOx,
- 80 кг углеводородов.
Антропогенные источники газообразных загрязнителей. Большая часть загрязняющих веществ поступает в окружающую среду в форме выбросов в атмосферу и в дальнейшем мигрирует в другие компоненты природы: литосферу, гидросферу, биоту.
Основными техногенными источниками газообразных загрязняющих веществ являются энергетика, химическая и нефтехимическая промышленность, автотранспорт, коммунальное хозяйство. Серьезную угрозу состоянию атмосферы представляют пыли и аэрозольные частицы. Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, магнезитовые и сажевые заводы. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения выступают промышленные отвалы – искусственные насыпи из переотложенного материала, преимущественно вскрышных пород, образующихся при добыче полезных ископаемых, или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности.
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 2 тыс. куб. м условного оксида углерода и более 150 т пыли.
Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью. Основные технологические процессы этих производств – измельчение и химическая обработка полуфабрикатов и готовых продуктов в потоках горячих газов – всегда сопровождаются выбросами пыли и других вредных веществ в атмосферу.
Загрязняющие вещества, поступающие в атмосферу, можно разделить на две группы:
- твердые частицы (пыль, аэрозоли, тяжелые металлы, минеральные соединения, органические вещества природного и антропогенного происхождения);
- газы (углекислый газ, оксид углерода, углеводороды, органические соединения, сернистый газ, производные азота).
По характеру выбросы подразделяются на неорганизованные и организованные. Неорганизованные – выбросы газов и пыли, которые обрзуются из-за нарушения герметичности в аппаратах, установках, трубопроводах, коммуникациях, а также в случае нарушения техники безопасности при погрузке, транспорте и складировании пылящих и летучих материалов. В категорию неоганизованных входят залповые (аварийные) выбросы газообразных соединений. Источники организованных выбросов – это системы воздуховодов (дымовые трубы, вентиляционные и вытяжные системы), которые предназначенные для отвода газообразных веществ от мест их образования в технологическом процессе.
В зависимости от физических и химических свойств загрязняющие вещества находятся в атмосфере определенное время и затем оседают на поверхность водоемов, почвы, живых организмов и включаются в дальнейший круговорот. Загрязняющие вещества могут прямым путём, минуя атмосферу, поступать в водоемы, почвы и живые организмы.
Антропогенные источники тяжелых металлов. Тяжелые металлы являются одними из самых распространенных загрязнителей окружающей среды и живых организмов. Наиболее значительными источниками тяжелых металлов служат высокотемпературные производственные процессы (сжигание горючих материалов, металлургическое производство).
Автотранспорт также выступает опасным источником тяжелых металлов в окружающей среде. Выбросы автотранспорта приурочены в основном к урбанизированным центрам и в связи с этим представляют серьезную угрозу состоянию городских экосистем и здоровью населения. Главным образом транспорт является источником свинца, который при сжигании горючего поступает в воздух, растительность и в конечном счёте в почву. Свинец обладает высокой кумулятивной способностью в природных объектах и имеет очень большой период выведения из почвы. Несмотря на использование свободного от свинца топлива и катализаторов, в придорожных экосистемах постоянно обнаруживается содержание свинца [9]. Кроме свинца транспорт поставляет в придорожные участки другие токсичные элементы: кадмий, цинк, медь, хром и ванадий. Источники загрязняющих элементов в придорожных полосах представлены в таблице 1.
Немаловажную роль в загрязнении окружающей среды тяжелыми металлами играет сельское хозяйство. В составе минеральных и органических удобрений в качестве примесей содержится широкий спектр металлов (см. таблица 2).
Таблица 1
Источники поступления химических элементов в придорожные полосы
Источники и процессы Элементы
Выхлопные газы Pb, Ni
Износ проезжей части Si, Ca, Mg, тяжелые металлы
Износ колес Cd, Zn, Pb, Cr, Cu, Ni
Износ тормозных колодок Cr, Cu, Ni, Pb, Zn
Горюче-смазочный материал Pb, Ni, Zn, Cu, V, Cr
Коррозия автомобилей Cu, Pb, Zn
Антигололедные средства Na, Ca, Mg
С учётом объемов и регулярности использования удобрений загрязнение тяжелыми металлами сельскохозяйственных экосистем является значительным. В таблице 3 приводятся данные о масштабах поступления тяжелых металлов в сельскохозяйственные почвы в результате внесения удобрений. Наряду с тяжелыми металлами при внесении удобрений в почву могут поступать ультрамикроэлементы и радиоактивные элементы. Например, в составе фосфорных удобрений обнаружен уран.
