CC BY
35
УДК 504.53:591.5, 628.4
Н. В. Шильникова, В. К. Хасанова
ПРЕВЕНТИВННЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО ЗАЩИТЕ БИОГЕОЦЕНОЗОВ ОТ НЕГАТИВНЫХ ФАКТОРОВ ПРИ ВОЗНИКНОВЕНИИ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНОГЕННЫХ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ
Ключевые слова: биогеоценозы, биосфера, негативный фактор, опасность, превентивные меры.
Экологическое состояние биогеоценозов требует незамедлительных превентивных мероприятий по их защите от негативных факторов, вне зависимости от источника их возникновения. Значительную опасность представляет множество ксенобиотиков, поступающих в окружающую среду в результате техногенных чрезвычайных ситуаций. Правовое регулирование превентивных мер повышает степень защиты биосферы от негативных факторов.
Key words: biogeocenosis, negative factor, hazard, preventive measures.
The ecological state of ecosystems requires urgent preventive measures to protect them from the negative factors, regardless of their source. A significant danger is many of the xenobiotics entering into the environment as a result of man-made emergencies. Legal regulation of preventive measures increases the degree of protection of the biosphere from negative factors.
Возникновение экологически опасной ситуации характеризуется негативными изменениями биогеоценозов (естественных наземных экосистем) под влиянием антропогенных и природных воздействий, в том числе обусловленных бедствиями, катастрофами, влекущими за собой как экологические и социальные, так и экономические потери, акцентирующие актуальность превентивных мер по защите этих мегаэкосистем. Одной из задач биологии является изыскание наиболее рациональных методов охраны и преобразования живой природы в соответствии с потребностями человека, неразрывно связанным с биосферой, поскольку его существование есть функция биосферы, которую он неизбежно изменяет. К таким изменениям относятся последствия антропогенных негативных факторов [1], их воздействия можно достоверно спрогнозировать, зная природные связи и взаимодействия между компонентами биогеоценозов, а также их причинно-следственные отношения.
Изучение закономерностей воздействия на экосистемы отдельных антропогенных факторов и их комплексов, анализ взаимодействий компонентов биогеоценозов с загрязнениями, включающими газовые выбросы, тяжелые металлы (2и, РЬ, Cd и др.), радиоактивные элементы, токсичные отходы производства, способствует прогнозированию и оценки их экологического состояния. Своевременное выявление и корректировка технологических процессов, действующих, а также проектируемых промышленных предприятий и производств, являющихся потенциальными источниками негативных факторов, позволят разработать требуемые превентивные меры.
Биогеоценоз, как совокупность биоценоза и биотопа, т.е. территории со свойственными ей абиотическими факторами (климат, почва), а также характерной особенностью - значительными размерами, подвергаясь воздействию загрязняющих веществ, накапливает их в количествах, превышающих допустимые пределы, в результате изменяется
естественный ксенобиотический профиль. К загрязняющим факторам относятся все тела и воздействия на биосферу, которые не включаются в естественные трофические цепи и не свойственны живой природе [2]. Негативная нагрузка происходит в основном по двум типам:
- прямое, при котором меняются ассимиляционные функции растений, физико-химические свойства почв и т.п.;
- косвенное, при котором «запускается» механизм долгосрочных изменений экосистем под действием уже измененного состояния одного или нескольких компонентов
Наиболее вероятный и масштабный путь поступления химических загрязнений в природную среду - это аварийные выбросы в атмосферу, при которых наиболее заметную роль играют оксиды серы и азота. Их повышенное содержание в атмосфере приводит к появлению кислотных осадков, которые губительно действуют на растительность. Поступая внутрь листа, диоксид серы или азота угнетают жизнедеятельность клеток, листья покрываются бурыми пятнами и высыхают. Сернистый газ особенно вреден для деревьев, он приводит к хлорозу (пожелтению или обесцвечиванию листьев) и карликовости. К тому же в случаях, когда концентрация каждого из указанных загрязнителей безвредна, смесь таких веществ как диоксид серы, оксидов азота, других фотооксидантов и тяжелых металлов, может привести к угнетению фитоценоза.
Многочисленные и различные по составу загрязняющие вещества, распространяясь на значительные расстояния, попадают в воздушную и водную среды, почву, живые организмы. Живые организмы, являясь мощным геохимическим фактором, определяют процессы миграции, накопления, распределения химических элементов в биосфере [3,4].
Изменяются плодородные свойства почвы, создаются новые комплексы химических элементов, негативно отражающиеся на зеленых растениях, составляющих основу биогеоценоза и производя-
щих органические вещества. Почва обеспечивает существование биосферы, является ее основой, без нее невозможно производство биомассы.
Под действием тяжелых металлов происходит снижение биологической активности почвы. При этом изменяется общая численность микроорганизмов, сужается их видовой состав, разнообразие, изменяется структура микробиоценозов, падает интенсивность основных микробиологических процессов и активность почвенных ферментов.
Попадание в почву «сухим» и «мокрым» способом оксидов серы и азота меняет кислотность почвы. При рН < (4...5) резко увеличивается скорость перехода в водорастворимое состояние содержащихся в почве в естественном состоянии химических соединений различных металлов.
Через «пищевые цепочки» тяжелые металлы попадают в живые организмы, оказывая сильное токсическое воздействие вследствие способности накапливаться. При сильном закислении почвы повышенное токсическое воздействие на растения, с точки зрения содержания тяжелых металлов (2п, РЬ, Cd и др.) проявляется уже в течение первого десятилетия после ввода в эксплуатацию промышленного объекта.
Повышение кислотности почвы значительно меняет ее буферные характеристики, а буферность, как совокупность свойств почвы, определяет ее барьерную функцию, которая в свою очередь обусловливает уровни вторичного загрязнения химическими веществами сред, контактирующих с почвой, т.е. растительности, атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод. Повышение кислотности почвы также значительно уменьшает содержание гумуса, способность к саморегуляции, плодородие.
Почва, являясь важнейшим компонентом экосистем, выступает как фактор плодородия для растений и как самая насыщенная организмами среда, ведь такая плотность биоты характерна только для почвы. В почве постоянно происходят важные процессы жизнедеятельности многочисленных видов растений, животных, бактерий, грибов, в ней берут свое начало почти все пищевые цепи, потребляя минеральные вещества и создавая из них органику, в почве они заканчиваются, замыкая круговорот веществ в природе, важнейшего процесса для существования жизни в биосфере.
В результате нарушение такого баланса происходит изменение фитоценоза, проявляющееся в снижении видового состава растительности и уменьшении разнообразия, изменение в растительности нижнего яруса лесов, переход от кустарников к разнотравью.
Влияние промышленных загрязнений на некоторые структурные особенности биогеоценозов и все указанные выше изменения требуют срочной оценки и разработки защитных мероприятий с учетом уровня опасности промышленного объекта.
По уровню потенциальной опасности аварий опасные производственные объекты делятся на четыре класса: объекты чрезвычайно высокой опасности; высокой опасности; средней опасности; низкой опасности.
Указанные классы опасности установлены в зависимости от количества одного или нескольких опасных веществ, одновременно находящихся на опасном производственном объекте. К таким веществам относятся воспламеняющиеся и горючие газы; горючие жидкости на товарно-сырьевых складах и базах; горючие жидкости, применяемые в технологических процессах или транспортируемые по магистральным трубопроводам, токсичные, окисляющие, взрывчатые и другие вещества, представляющие опасность как для территорий, на которых они размещаются, так и прилегающим к ним.
Перечень производимых и используемых в стране химических веществ насчитывает десятки тысяч наименований. Большинство из них представляет определенную опасность для окружающей среды, однако к опасным химическим веществам (ОХВ), согласно нормативным документам, относят только те вещества, прямое или опосредованное воздействие которых может вызвать острые или хронические заболевания людей или их гибель [5]. Вместе с тем, в случае аварийных ситуаций, токсичное облако или разливы химических веществ распространяются в пределах биогеоценозов, с прогнозируемыми последствиями.
Ежегодно в глобальном масштабе при разного вида утечках вредных веществ, промышленных неорганизованных выбросах, нефтяных разливах, а также с отходами производства в природную среду попадает около 3 млн. тонн диоксида серы, 3,1 млн. тонн окислов азота, 8,2 млн. тонн окиси углерода, 1,75 млн. тонн органических соединений, 7 тыс. тонн цинка, 6,5 тыс. тонн свинца, 80 тонн кадмия, а также около 6000 других загрязняющих веществ, что крайне ухудшает экологическое состояние биогеоценозов. Многие промышленные загрязнения содержат вещества никогда не входившие в естественные циклы биогенного круговорота и поэтому не имеют разрушителей.
Сильнейший техногенный пресс испытывают почвы, расположенные вблизи крупных промышленных предприятий и городов [6]. К тому же, попадающие в почву отходы производства и потребления, могут содержать в своем составе вещества, обладающие опасными свойствами. На рисунке 1 показаны виды и процентное соотношение образующихся отходов.
30%
Рис. 1
Перечень отходов, образующихся в России, обобщен в классификационном каталоге отходов, где они систематизированы по совокупности приоритетных признаков: агрегатному и физическому состоянию, происхождению, опасным свойствам, степени вредного воздействия на окружающую сре-
ду. Первоочередная задача в управлении отходами на ближайшую перспективу - оптимизация их сбора и переработки, однако на практике часто все сводится к размещению отходов на полигонах. Причем опасные вещества могут присутствовать в отходах в таком количестве и виде, что могут представлять непосредственную или потенциальную опасность как самостоятельно, так и при вступлении в контакт с многими другими веществами. Обобщенная характеристика видов промышленных отходов, устанавливается в соответствии с составом отходов и токсикологическими характеристиками их компонентов.
Основный характеристикой токсических свойств веществ являются: предельно-допустимая концентрация вещества - ПДК, мг/м3. Опасность химических веществ по ПДК в почве [7] представлена в таблице 1.
Таблица 1 - Опасность химических веществ на основе их ПДК в почве
Расчетная Класс
величина К2 опас- Степень опасности
по ПДК в ности
почве
Менее 2 1 Чрезвычайно опасные
От 2 до 16 2 Высоко опасные
От 16,1 до 30 3 Умеренно опасные
Выше 30 4 Малоопасные
Экологическая опасность отхода представляет собой совокупность опасных свойств, находящихся в функциональном единстве и способных оказывать негативное воздействие на природную среду и живые организмы. К таким свойствам относят токсичность, инфекционность, пожароопасность, взрывчатость, высокая реакционная способность.
Определение класса опасности промышленных отходов осуществляется на основании индекса опасности, т.е. интегрального показателя, характеризующего опасность отхода при его воздействии на биосферу. Индекс опасности (К1) рассчитывается по формуле:
К = ПДК1 / (Б + СВ)Ь где ПДК1 - предельно допустимая концентрация токсичного химического вещества, содержащегося в отходе, в почве, мг/кг [7];
Б - коэффициент, отражающий растворимость его в воде, безразмерный и равный растворимости данного химического вещества в граммах на 100 г воды при 25ОС, деленной на 100. Значение величины Б находится в интервале от 0 до 1. При растворимости больше 100 г в 100 г воды Б принимается равным 1; СВ - содержание данного компонента в общей массе отхода, массовая доля;
1 - порядковый номер данного компонента. Величину К1 округляют до первого знака после запятой.
Некоторые вещества способны образовывать опасные концентрации даже при небольших утечках. В ряде случаев высокотоксичные соединения оказываются, вследствие особенностей их физико-
химических свойств, относительно малоопасными и, наоборот, становятся высокоопасными (например, аммиак).
Важными характеристиками токсических свойств являются: смертельная концентрация вещества в данной среде (почве, воздухе, воде, пище), а также токсодоза (пороговая, поражающая, смертельная). При концентрации ядовитого вещества, соответствующей средней смертельной концентрации ЬС50 происходит летальное поражение 50% всех подвергшихся токсическому поражению живых организмов. Также используют величину ЬБ50 - среднюю смертельную токсодозу, вызывающую летальный исход у 50% пораженных при времени экспозиции 30 мин, (мг-мин)/л.
Вся растительность биогеоценоза (фитоценоз) и весь ее животный мир (зооценоз), связаны с почвой, как необходимым источником пищи. К тому же она является биологическим адсорбентом и нейтрализатором загрязнений, однако проникновение загрязнителей в количествах, превышающих способность почв к их разложению, утилизации и включению в общий круговорот веществ, приводит к изменению ее физико-химических и биологических свойств, следовательно, оценка опасности загрязнения почв чрезвычайно важна.
При оценке опасности загрязнения почв учитываются следующие закономерности:
1. Опасность загрязнения тем выше, чем в большей степени фактическое содержание загрязняющего вещества в почве - С [мг/кг] превышает ПДК [мг/кг], т.е. чем больше значение коэффициента опасности К0 превышает единицу.
Коэффициент опасности определяется следующим образом:
К0 = С / ПДК.
2. Опасность загрязнения тем выше, чем выше класс опасности загрязняющего вещества.
3. Опасность загрязнения тем выше, чем ниже буферные свойства почвы.
Суммарный показатель загрязнения почв равен сумме коэффициентов концентраций загрязняющих почву химических элементов и выражается следующей формулой:
2с = 2 (С , / Сф ) - (п - 1), где С i - содержание элемента в образце, Сф i - фоновое содержание элемента, п - число учитываемых ЗВ.
По ориентировочной шкале опасности загрязнения почв и по суммарному показателю ZС определяют: допустимое загрязнение ZС = 1-8; слабое ZС = 8-16; среднее ZС = 16-32; сильное ZС = 32-64; очень сильное ZС = 64-128; чрезвычайно опасное ZС >128.
В качестве фоновых значений принимают среднеарифметические показатели содержания элемента в почвах экологически чистой части соответствующей территории. Наименьший из допустимых уровней содержания вещества является лимитирующим и принимается за предельно-допустимую концентрацию вещества (ПДК) вещества в почве.
Категории загрязненности почв химическими веществами и предлагаемые мероприятия по защите от загрязняющих веществ, представлены в табл. 2.
Таблица 2 - Категории загрязненности почв химическими веществами и превентивные мероприятия по их защите
Категория загрязненности почв Предлагаемые мероприятия
I. Допустимая По снижению доступности токсикантов для растений (известкование, внесение орган. удобрений и т. п.).
П.Умерен-ноопасная Обязательный контроль за содержанием токсикантов в зоне дыхания с/х рабочих и в воде местных источников.
III.Высоко опасная Строгий контроль за содержанием токсикантов в растениях - продуктах питании и кормах.
IV.4pe3Bbi чайно опасная Мероприятия по снижению уровня загрязненности и связыванию токсикантов в почве.
Из представленных в таблице 2 сведений следует, что обязательным превентивным мероприятием для всех категорий загрязненности почв является снижение уровня непосредственного воздействия загрязняющих веществ, независимо их от источников.
Одним из таких источников, находящемся на втором месте после химического загрязнения, по оценкам экспертов, в нашей стране является радиационное загрязнение окружающей среды.
Негативная нагрузка на биогеоценозы возможна при авариях на радиационно-опасном объекте. Среди поражающих факторов ядерного взрыва особое место занимают проникающее излучение и радиоактивное заражение.
Обеспечение превентивных мер особенно важно в атомной энергетике, при эксплуатации военной техники, где используются и обращаются мощные источники энергии, высокотоксичные и агрессивные вещества. Произошедшие чрезвычайные события последних лет: взрыв на шахте «Распадская» (2010), авария на АЭС Фукусима (2011), показали, что проблема обеспечения безопасной и эффективной эксплуатации сложных систем далека от своего решения. Последствия от негативных факторов перечисленных событий распространяются на все компоненты биосферы. Характерными результатами отказов технических систем являются радиоактивное заражение атмосферы, водоемов, огромных участков почв, так в результате аварии на Чернобыльской АЭС, общая площадь пораженных лесов составила 2.1 млн. га., существенны экономические потери и жертвы, возможные отдаленные последствия.
Радиоактивное заражение возникает в результате выпадения радиоактивных веществ из радиоактивного облака. В отличие от других поражающих факторов ядерного взрыва (аварии на радиационно-опасных объектах), заражение характеризуется длительностью действия и трудностью обнаружения
радиоактивных веществ, не имеющих цвета, запаха и других внешних признаков [8].
Форма следа радиоактивного облака зависит от направления и скорости ветра, рельефа местности и т. д. В следе радиоактивного облака поражающим действием обладают ^-излучение, вызывающее общее внешнее облучение; ^-частицы, вызывающие при внешнем воздействии радиационное поражение кожи, а при внутреннем - поражение внутренних органов; а-частицы, представляющие опасность при попадании внутрь организма. Радионуклиды попадают внутрь в основном с пищей [9].
Почвенные микроорганизмы способны аккумулировать радиоактивные элементы, что можно определить методами радиоавтографии. На этом принципе основана разработка методов использования микробных популяций для выявления геохимических провинций с высоким содержанием указанных элементов в почвах.
Радиоактивной пылью заражаются растения, в зависимости от размеров частиц на поверхности растений может задерживаться от 8 до 25% выпавшей на землю радиоактивной пыли. Лучевое поражение у растений проявляется в торможении роста и замедлении развития, снижении урожая, понижении репродуктивного качества семян, клубней, корнеплодов. При больших дозах облучения возможна гибель растений.
Ликвидация последствий таких событий представляет собой чрезвычайно сложный, многоступенчатый процесс. Вместе с тем, занимая центральное место в биосфере, и являясь начальным звеном всех трофических цепей, загрязненная радионуклидами почва может стать источником вторичного загрязнения атмосферного воздуха, водоемов, подземных вод, продуктов питания. В некоторых регионах уровни радиоактивного и химического загрязнений биогеоценозов значительно превышают допустимые санитарные нормы.
Важной экологической проблемой в ядерной энергетике является проблема хранения и переработки радиоактивных отходов. Главными критериями при выборе и создании технологий по переработке отходов, отвечающей достижениям и тенденциям развития мировой практики, являются:
- экологическая безопасность технологии;
- количество и экологическая безопасность образующихся отходов;
- экономическая эффективность, капитальные и эксплуатационные затраты.
Также в области обращения с отходами приоритетными направлениями государственной политики являются: максимальное использование исходных сырья и материалов; предотвращение образования отходов и снижение класса опасности в источниках их образования; обработка, утилизация и обезвреживание отходов.
Решение проблемы отходов путем создания единой государственной системы управления отходами включало разработку соответствующих законодательных и нормативных актов, регламентирующих любые действия, производимые с твердыми отходами производства и потребления, возмож-
ность рассматривать отходы как потенциальный источник вторичных материальных и энергетических ресурсов.
Однако существенными проблемами государственного регулирования в области охраны природной среды, являются: - отсутствие механизма ликвидации накопленного объема экологического ущерба; субъективность системы нормирования, позволяющая предприятиям оказывать неограниченное воздействие на природную среду; отсутствие экономических стимулов для применения предприятиями совершенных, экологически безопасных технологий; незначительные суммы штрафов за нарушение экологического законодательства.
Результаты комплексного исследования влияния на природные системы некоторых видов промышленных загрязнений показывают, что основным направлением является разработка экологически безопасных технологий в различных отраслях производства, оптимизация урбанизированной и техногенной среды, сохранение продуктивности экосистем, создание биогеоценозов рекреационного назначения, правовое регулирование превентивных мер по защите биосферы от негативных факторов.
Литература
1. Байда, С.Е. Природные, техногенные и биолого-социальные катастрофы: закономерности возникновения, мониторинг и прогнозирование; / С.Е. Байда, - МЧС России. М.: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2013. 194с.
2.Русанов А.М. Перспективы сохранения и восстановления свойств и экологических функций почв сельскохозяйственного назначения. /А.М. Русанов //Экология. -2003. №1. С. 12-17.
3. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Л.: Агропрм-издат, 1987, - 142 с.
4. Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. Геохимия окружающей среды.- М.: Недра, 1990.- 335 с.
5. Мастрюков Б.С. Безопасность в чрезвычайных ситуациях - Москва, Издательский центр «Академия», 2003. -336 с.
6. Хасанова В.К., Шильникова Н.В. Проблема утилизации промышленных отходов в России на современном этапе ее развития. Вестник Казан. технол. ун-та. № 2, 2012, С.76-78.
7. ГН 2.1.7.2041-06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химического вещества в почве. - М., 2006, - 7 с.
8. Алексахин Р.М., Нарышкин М.А. Миграция радионуклидов в лесных биогеоценозах. М. 1977, - 135 с.
9. Андрияшина Т.В., Шильникова Н.В. Воздействие радиоактивного загрязнения на окружающую среду. Вестник Казан. технол. ун-та. №10, 2011, С39-44.
© Н. В. Шильникова - канд. техн. наук, доцент каф. промышленной безопасности КНИТУ, snv-knitu@yandex.ru; В. К. Хасанова - канд. пед. наук, доцент каф. промышленной безопасности КНИТУ, valerya29.11@mail.ru.
© N. V. Shil'nikova - candidate. tech. sciences, associate Professor, of industrial safety of KNRTU, snv-knitu@yandex.ru; V. K. Khasanova - candidate of pedagogic sciences, associate Professor of industrial safety of KNRTU, valerya29.11@mail.ru.
