Загрязнение почв. Нормирование почвенного загрязнения.

Тема 1. АТМОСФЕРА

Строение и свойства атмосферы. Основные газы, пути их поступления и потребления.

Классификация источников загрязнения атмосферы и загрязняющих веществ.

Нормативы регулирования качества атмосферного воздуха (ПДК, ПДВ). Организованные и неорганизованные выбросы.

Тема 2. ГИДРОСФЕРА

Гидросфера. Круговорот воды. Роль воды в природе. Классификация природных вод. Запасы пресных вод.

Источники загрязнения вод. Классификация промышленных стоков. Организованные и неорганизованные источники.

Нормативы для загрязняющих веществ, поступающих в водную среду.

Тема 3. ПЕДОСФЕРА (почвенная оболочка Земли)

Общая характеристика почв, состав и свойства почвы.

Почва – верхний горизонт литосферы, вовлеченный в биологический круговорот при участии растений, животных и микроорганизмов.

В состав почвы входят минеральная основа (50-60% общего состава почвы), органическое вещество (до 10%), воздух (15-25%) и вода (25-35%).

Толщина почвенного слоя в умеренных районах на равнинах не превышает 1,5-2,0 м, в горных - менее метра.

Строение почв характеризуют сочетанием генетических горизонтов, образующих почвенный профиль. В почвенном профиле, где преобладают движения почвенных растворов сверху вниз, часто выделяют три главных горизонта:

- гумусовый горизонт;

- элювиальный, или горизонт вымывания, характеризующийся преимущественно выносом веществ;

- иллювиальный горизонт, куда из вышележащих горизонтов вмываются вещества.

Ниже располагается материнская (почвообразующая) порода.

Количество генетических горизонтов велико, и этим обусловлено большое разнообразие почв.

На территории России выделено около 100 типов почв, основные из них перечислены ниже.

1. Арктические и тундровые почвы, мощность которых не более 40 см. Эти почвы характеризуются переувлажнением, распространены на северных окраинах Евразии, островах Северного Ледовитого океана.

2. Подзолистые почвы формируются в условиях умеренного влажного климата под хвойными лесами и отличаются повышенной кислотностью.

3. Черноземы распространены в пределах лесостепной и степной зон, формируются в условиях засушливого климата, характеризуются большим количеством гумуса (> 10%) и являются наиболее плодородным типом почв.

Биогенное накопление многих химических элементов в верхнем слое почвы – следствие деятельности растений, которые действуют как насос, перекачивающий корневой системой элементы из нижних горизонтов почвы в верхние.

Почвенными коллоидами называют частицы диаметром от 0,001 до 0,2 мкм. Они образуются при раздроблении крупных частиц. Их количество в почве различно - от 1-2 до 30-40% к массе почвы. Наибольшее количество коллоидов отмечено в глинистых почвах с высоким содержанием гумуса, наименьшее - в песчаных почвах, бедных гумусом.

Особые свойства коллоидных частиц обусловлены их мелкими размерами и большой удельной поверхностью. Коллоидные частицы, количество которых в почве составляет по массе 4%, имеют поверхность, составляющую не менее 80% общей поверхности твердой фазы почвы. За счет высокой удельной поверхности коллоиды поглощают из растворов ионы и молекулы и могут их концентрировать.

Гумификация - это один из самых важных почвенных процессов. В ходе гумификации происходит синтез сложных органических соединений, в почве накапливается гумус. В гумусе доминируют вещества кислотной природы – гумусовые кислоты. В среднем на квадратный километр поверхности суши ежегодно поступает 33–168 т гумусовых кислот.

Органическое вещество почвы образуется при разложении мертвых организмов. Конечным продуктом разложения является гумус. Одновременно с образованием гумуса жизненно важные (биогенные) элементы переходят из органических соединений в неорганические. Этот процесс называется минерализацией.

Сущность гумификации заключается в трансформации растительных остатков в темноокрашенные органические гуминовые вещества. Выделяют две группы гумусовых кислот: фульвокислоты и гуминовые кислоты.

Фульвокислоты хорошо растворяются в воде и в высушенном состоянии имеют буровато-желтый цвет. Фульвокислоты активно воздействуют на многие минералы, разрушая их и образуя устойчивые соединения с металлами. Большая часть этих соединений хорошо растворяется в воде. При промывании почв атмосферными осадками фульвокислоты выносятся в реки.

Гуминовые кислоты нерастворимы в воде, от бурого цвета до черного. Гуминовые кислоты удерживают и концентрируют элементы в почвах. При анализе почв района Чернобыля показано, что основная доля радионуклидов связана с гуминовыми кислотами почвы.

Содержание гумуса увеличивается от таежных подзолистых почв (2-3%) на юг к дерново-подзолистым, серым лесным (4-6%) и далее к черноземам (около 10%), а потом уменьшается до 1-2% в почвах пустынь. Содержание гуминовых кислот увеличивается с возрастанием гумуса, а содержание фульвокислот, наоборот, уменьшается.

 

Загрязнение почв. Нормирование почвенного загрязнения.

Химическое загрязнение почв может быть вызвано: 1) атмосферным переносом загрязняющих веществ (тяжелые металлы, кислые дожди, фтор, мышьяк, пестициды), 2) сельскохозяйственным загрязнением (удобрения, пестициды), 3) наземным загрязнением - отвалы горнодобывающих производств, отвалы топливно-энергетических комплексов, 4) загрязнением нефтью и нефтепродуктами.

Промышленное загрязнение почв идет в основном через атмосферу путем осаждения паров, аэрозолей, пыли или растворенных токсикантов с дождем и снегом. Основная доля токсикантов попадает в воздух из дымовых труб заводов, большая часть их осаждается вблизи (1-2 км) предприятий, некоторая часть тяжелых металлов передвигается далее и выпадает в пределах 3-4 и до 8 км. Протяженность зоны загрязнения зависит от скорости и частоты ветров данного румба (розы ветров), высоты труб, рельефа, растительного покрова.

Значительная часть элементов, поступающих на поверхность почв с техногенными потоками, задерживается в верхнем горизонте почвы. Другая часть элементов проникает внутрь почвенного профиля при нисходящем токе почвенной влаги.

Почвы загрязняются путем разливов или выбросов сырой нефти, нефтяных вод, подземных вод и буровых растворов. Эти вещества попадают в окружающую среду вследствие нарушения технологии или аварийных ситуаций.

После поступления в почвы нефти и нефтепродуктов легкие фракции испаряются в атмосферу, часть нефти выносится водой за пределы площади загрязнения и рассеивается. Часть нефти подвергается химическому и биологическому окислению.

Тяжелые металлы (ТМ) попадают из атмосферы в почву чаще всего в составе пыли, постепенно превращаются в растворимые соединения или связываются гуминовыми кислотами. Если почва прочно связывает ТМ (обычно в богатых гумусом почвах), это предохраняет от загрязнения грунтовые и питьевые воды, растительную продукцию. Но сама почва постепенно становится все более загрязненной.

Продолжительность пребывания ЗВ в почве гораздо выше, чем в других частях биосферы, и загрязнение почв ТМ практически вечно.

Минеральные удобрения служат источником загрязнения почв ТМ. Наиболее загрязнены ТМ фосфорные удобрения. Кроме того, фосфорные удобрения являются источником загрязнения другими токсичными элементами - F, As, естественными радионуклидами (U, Th, Ra). Ежегодно в сельскохозяйственные ландшафты носится до 600 кг/га элементов в минеральной форме.

По степени опасности вещества, загрязняющие почву, подразделяют на три класса: 1) высокоопасные, наиболее токсичные – мышьяк, кадмий, ртуть, свинец, бензапирен и др.; 2) умеренно опасные – кобальт, никель, медь, хром и др.; 3) малоопасные – марганец, ванадий, вольфрам и др. Класс опасности определяют в соответствии с ГОСТ 17.4.1.02-83 «Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения».

Единые ПДК были введены для огромной территории СССР, а затем России. Однако, при разработке общих для огромных территорий ПДК не учитывались экологические особенности загрязняемых территорий.

ПДК ЗВ в почвах должны сильно варьировать в зависимости от конкретной обстановки, в том числе от свойств почвы, климатических особенностей природной зоны, вида и сорта возделываемой культуры, системы удобрений и агротехники.

С точки зрения экологии ПДК могут использоваться в практике как предварительные ориентиры на первых этапах исследований.

При экологических исследованиях удобно пользоваться понятием уровня фона, как среднего нормального значения. Фоновые участки должны находиться вне зоны действия источников загрязнения, на расстоянии не менее 10-15 км, желательно, в пределах экологических заповедников.

В геоэкологии принята 4-хуровневая шкала оценки загрязнения почв. В незагрязненных почвах концентрации всех определяемых элементов фоновые или ниже ПДК. В среднезагрязненных - концентрации компонентов 2- и 3-го классов опасности в пределах 1-5 фоновых значений. В сильнозагрязненных - концентрации компонентов 2- и 3-го классов опасности в пределах 5-10 фоновых. В катастрофически загрязненных – концентрации компонентов 2- и 3-го классов опасности выше 10 фоновых либо компоненты 1-го класса опасности превышают фоновые или ПДК.

Тема 4. БИОСФЕРА

Общие понятия экологии

Экология - наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания.

Экосистема - сообщество живых организмов и среда их обитания, которые функционируют совместно, т. е. обмен вещества и энергии происходит в них во взаимосвязи.

С точки зрения трофических (от греч. трофе - питание) отношений экосистема имеет два компонента (которые обычно частично разделены во времени и пространстве):

1) автотрофный компонент (автотрофный - самостоятельно питающийся), для которого характерны фиксация световой энергии, использование простых неорганических веществ и построение сложных веществ,

2) гетеротрофный компонент (гетеротрофный - питаемый другими), для которого характерны утилизация, перестройка и разложение сложных веществ.

Экосистема состоит из четырех основных элементов.

1. Неживая (абиотическая) среда - вода, минеральные вещества, газы, органические остатки и гумус.

2. Продуценты (производители) - живые существа, способные из неорганических материалов среды строить органические вещества.

3. Консументы - потребители растительной продукции.

4. Редуценты (деструкторы) - группа организмов, которые разлагают органические остатки, превращая их в исходное сырье (вода, минеральные вещества и углекислый газ), пригодное для продуцентов. К редуцентам относятся черви, личинки насекомых и другие мелкие почвенные организмы.

Первый трофический уровень образуют автотрофные организмы. Они являются первичными продуцентами. Они утилизируют энергию солнца, создают массу органического вещества (биомассу), являются основой существования жизни вообще и биоценоза в частности. К числу первичных продуцентов относятся растения.

Гетеротрофы представлены животными, бактериями и грибами, получающими энергию путем усвоения органических веществ, разложения мертвых тканей. Это - второй трофический уровень, который представлен консументами.

Третья группа - организмы, разлагающие отходы жизнедеятельности и отмершие организмы до минеральных веществ - редуценты.

Природный комплекс, состоящий из определенных групп живых существ и среды их обитания называют экологической системой или биогеоценозом. Это элементарная единица биосферы.

Живое вещество биогеоценоза объединяется понятием «биоценоз» (фитоценоз+зооценоз+микробоценоз). Внешняя среда биоценоза обозначается понятием «биотоп».

Совокупность биоценоза и биотопа называют биогеоценозом.

Природные условия, оказывающие влияние на жизнедеятельность организмов, называют экологическими факторами.

Солнечный свет представляет собой электромагнитное излучение с различными длинами волн.

Свет улавливается зелеными растениями в процессе фотосинтеза:

6 СО₂ + 6Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

В среднем 0,1% энергии, получаемой Землей от Солнца, связывается в процессе фотосинтеза и превращается в биомассу растений-продуцентов. Максимум полезной работы наблюдается в лесах - до 1,2% от солнечного излучения, минимум характерен для пустынь, тундр и океана.

Температура является важным и часто лимитирующим фактором среды. Распространение различных видов и численность популяций существенно зависят от температуры. Живые организмы приспосабливаются к различным температурным условиям; одни могут жить при постоянной температуре, другие адаптированы к колебаниям температуры.

Влажность (вода, ее количество и качество в окружающей среде), является лимитирующим физическим фактором как в наземных, так и в водных экосистемах. Вода составляет основную массу организмов животных и растений. Ткани большинства живых организмов на 50-80% состоят из воды.

Химический экологический фактор характеризует состав среды обитания. Химический фактор определяет допустимые изменения химического состава среды, в рамках которого сохраняется жизнедеятельность организма.

Сущность химического экологического фактора вытекает из закона толерантности.

Согласно закону толерантности: существование живого организма невозможно при недостатке или избытке конкретного жизненно необходимого химического элемента в среде обитания в доступной для организма форме.

В характере воздействия любых экологических факторов можно выделить закономерности:

Закон оптимума – каждый фактор имеет определенные пределы положительного влияния на организм.

Для каждого вида существует свой закон оптимума, и уменьшение или усиление влияния фактора ведет к гибели организма.

Принцип минимума: биопродуктивность экосистемы определяется единственным лимитирующим (ограничивающим) фактором, интенсивность которого близка к минимуму, необходимому организму.

В начале 70-х гг. американский эколог Б. Коммонер сформулировал четыре положения, раскрывающие суть системы рационального природопользования.

1. Все связано со всем. Это положение об экосистемах и биосфере.

2. За все надо платить. Это всеобщий «закон» рационального природопользования. Платить нужно энергией за дополнительную очистку отходов, удобрением - за повышение урожая.

3. Все надо куда-то девать. Это положение о хозяйственной деятельности человека, отходы от которой неизбежны, и потому нужно думать и об уменьшении их количества и о последующем захоронении этих отходов.

4. Природа знает лучше. Это самое важное положение природопользования, которое означает, что нельзя пытаться покорять природу, а нужно сотрудничать с ней, используя биологические механизмы для очистки стоков и повышения урожая культурных растений.

 

Биосфера.

Биосфера включает в себя 3 основных компонента:

- живое вещество;

- биогенное вещество - органо-минеральные и органические продукты, созданные живым веществом (каменные угли, битум, горючие газы, нефть, торф, лесная подстилка, гумус);

- биокосное вещество - минеральные вещества, образующиеся в результате взаимодействия живых организмов с неживой природой.

Наиболее высокая концентрация живого вещества находится на границах раздела основных сред – в почве (пограничный слой между атмосферой и литосферой), в поверхностных слоях океана (гидросфера и атмосфера), на дне водоемов (литосфера и гидросфера).

Биосфера Земли – многокомпонентная, общепланетарная, открытая, саморегулирующаяся система живого вещества и неживой материи.

Биосфера как место обитания организмов вместе с самими организмами может быть разделена на три подсферы: аэробиосферу, гидробиосферу и геобиосферу.

Аэробиосферанаселена организмами, субстратом жизни которых служит влага воздуха, источником питания - солнечная энергия и аэрозоли.

Гидробиосфера - это весь мир воды, населенный гидробионтами. Сгущения жизни в океане распространены до глубин в 2-3 км. В пределах океана распространение жизни наблюдается до его наибольших глубин - около 11 км.

Геобиосфера - область жизни на суше и в ее толще. Наибольшая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены живые бактерии, составляет 4 км.

Особенности биосферы.

1. Биосфера Земли - продукт эволюции п ланеты.

2. Биосфера Земли - глобальная открытая система, в которой вход - поток солнечного излучения, выход - минералы (вещества), образовавшиеся в процессе жизнедеятельности организмов и выпавшие из биогеохимического круговорота; например, уголь, торф, нефть, горючие сланцы и т. п.

3. Биосферу Земли можно рассматривать как систему, обладающую свойством саморегулирования, что обеспечивается живыми организмами. Примером может служить практически постоянный солевой состав Мирового океана, хотя реки ежегодно несут в него значительное количество разных химических соединений.

Биосфера - часть основных оболочек планеты (атмосферы, гидросферы и литосферы), в ко­торой сконцентрировано живое вещество - биота. Поэтому границы жизни на планете являются одновременно границами биосферы.

Биосфера занимает на суше толщину максимум в 12 км, а в пределах океана 17 км по вертикали.

Живое вещество (биота) выбирает из среды обитания те химические элементы, которые ей необходимы. Наиболее важными для живых организмов являются шесть химических элементов, которые называются биогенными. Это О, С, Н, N, P, S; их суммарный вклад составляет около 98,9%.

В настоящее время биота Земли представлена примерно 3 млн видов животных, растений, микроорганизмов. На растения приходится около 300 тыс. видов, но они благодаря фотосинтезу являются основой биосферы.

 

Живое вещество

Живое вещество можно подразделить на следующие формы:

- бесклеточное живое вещество (вирусы);

- бактерии (специфические бактерии приспособились к высоким концентрациям химических элементов в среде обитания, например, марганцевые бактерии содержат 24-36 % марганца;

- растения составляют большую часть живого вещества биосферы;

- грибы;

- животные, их известно около 1,3 млн видов, из них 1 млн. насекомых.

Масса живого вещества составляет менее 0,1% земной коры, но это активная масса, которая постоянно образуется и разрушается.

Коренные отличия живого вещества от косного, неживого, перечислены ниже.

1. Живое вещество обладает огромным запасом энергии в виде энергии химических связей биомолекул.

2. Скорость протекания химических процессов в живом веществе в 10³–10⁶ раз выше, чем в неживом веществе.

3. Химические соединения живого вещества устойчивы только в составе живых организмов.

4. Для живого вещества характерны две формы движения – пассивная (рост и размножение) и активная (направленное перемещение).

Особенность пассивного движения – стремление заполнить пространство («давление жизни»). Сила давления равна скорости размножения организмов и обратно пропорциональна размерам организма. Максимальное давление характерно для бактерий, вирусов, грибов. Холерный вибрион захватил бы поверхность Земли за 1,25 суток. Крысы – за 8 лет, слоны – за 1000 лет. Размножение сдерживают различные факторы – недостаток пищи, конкуренция, хищники, неблагоприятная среда. Размножение живых существ приводит в движение материю земной коры.

Движение второй формы происходит за счет собственного передвижения организмов.

5. Для живых организмов характерно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем для неживого вещества.

В живом веществе обнаружены более 2 млн. органических соединений, в неживой природе – около 2 тыс. минералов. Многие организмы служат концентраторами определенных элементов.

Можно выделить три аспекта влияния деятельности живых организмов на развитие оболочек Земли.

1. Организмы являются концентраторами элементов. В результате их накопления формируются толщи горных пород биогенного происхождения (угли, известняки, кремнистые и другие породы).

2. Живое вещество формирует физико-химические условия среды, в которой протекают природные процессы.

3. Живое вещество изменяет вещественный состав всех внешних земных оболочек – от атмосферы до земной коры.

Биологический круговорот.

Круговорот веществ в природе - важнейшее экологическое понятие.

На рис. представлен биологический цикл в сочетании с упрощенной схемой потока энергии. Вещества вовлечены в круговорот, а энергетический поток однонаправлен от растений, преобразующих энергию солнца в энергию химических связей, к животным, использующим эту энергию, и далее к микроорганизмам, разрушающим органические вещества.

Однонаправленный поток энергии приводит в движение круговорот веществ. Каждый химический элемент, совершая круговорот в экосистеме, попеременно переходит из органической формы в неорганическую и наоборот.

 

Рис. 1. Поток энергии и круговорот биогенных элементов в биосфере

Фотосинтез – создание органических веществ (глюкозы, крахмала, целлюлозы и др.) из углекислого газа и воды с участием хлорофилла под действием солнечной энергии:

6СО₂ + 12Н₂О + hν (673 ккал) = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + 6Н₂О

Фотосинтез - процесс улавливания солнечной энергии фотосинтезирующими организмами и превращения ее в энергию биомассы.

Ежегодно растительный мир запасает свободной энергии в 10 раз выше потребляемого за год всем населением Земли количества энергии полезных ископаемых. Сами эти полезные ископае­мые (уголь, нефть и природный газ) тоже продукты фотосинтеза, происходившего миллионы лет назад.

Ежегодно при фотосинтезе усваивается 200 млрд. тонн углекислого газа и выделяется до 320 млрд. тонн кислорода. Весь углекислый газ атмосферы проходит через живое вещество за 6-7 лет.

В биосфере протекают также процессы разрушения органического вещества до простейших молекул: CO₂, H₂O, NH₃. Распад органических соединений протекает в организмах животных, в растениях в процессе дыхания с образованием CO₂ и H₂O.

Минерализация органических веществ, разложение отмершей органики до простых неорганических соединений происходит под действием микроорганизмов.

Противоположные процессы образования и разрушения органического вещества в биосфере образуют единый биологический кру­говорот атомов. В процессе минерализации органических соединений освобождается энергия, которая была поглощена при фотосинтезе. Она освобождается в виде тепла, а также в виде химической энергии.

Биологический круговорот представляет собой совокупность процессов поступления химических элементов в живые организмы, биосинтеза новых сложных соединений и возвращения элементов в почву, атмосферу и гидросферу.

Интенсивность биологического круговорота (БИК) определяется температурой окружающей среды и количеством воды. Биологический круговорот интенсивнее протекает во влажных тропических лесах, чем в тундре.

Наиболее важным результатом биологического круговорота веществ является образование на суше гумусового горизонта почв.

Биологический круговорот характеризуется следующими показателями.

Биомасса - масса живого вещества, накопленная к данному моменту времени (фито-, зоо-, микробиомасса).

Биомасса растений (фитомасса) - масса живых и отмерших растительных организмов.

Опад - количество органического вещества растений, отмерших на единице площади за единицу времени.

Прирост - биомасса, накопленная на единице площади за единицу времени.

Химический состав растений зависит от двух главных факторов:

1) экологического, - обстановки произрас­тания растений, - уровни содержания элементов в окружающей среде, формы нахождения, в том числе подвижные, доступные для растений;

2) генетического, в связи с особенностями происхождения вида растений.

В условиях загрязнения среды концентрация элементов в растениях определяется первым фактором. В фоновых (ненарушенных) ландшафтах важны оба фактора.

В зависимости от реакции на химический фактор среды (на содер­жание химических элементов) можно выделить 2 группы растений:

1) адаптированные к изменениям концентрации химических элементов;

2) не адаптированные к изменениям концентрации химических элементов.

Изменение концентраций химических элементов в среде у не адаптированных растений вызывает физиологические на­рушения, приводящие к заболеваниям; развитие растений угнетается, вид вымирает.

Некоторые виды растений оказываются хорошо приспособленными к перенесению высоких концентраций элементов. Это дикорастущие растения, длительно произрастающие в данной местности, которые в результате естественного отбора приобретают устойчивость к неблагоприятным условиям обитания.

Растения, концентрирующие химические элементы, называются концентраторами.Например: подсолнечник, картофель концентрируют калий, чай – алюминий, мхи – железо. Золото накапливают полынь, хвощ полевой, кукуруза, дуб.

 

Тема 5. ТЕХНОГЕНЕЗ

12Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: