Конкретные загрязняющие вещества; матрица взаимодействия

 

Чтобы оценить воздействие на окружающую среду того или иного загрязняющего вещества, лучше всего разработать матрицу взаимодействия, которая покажет в общих чертах, где, как и насколько сильно такие вещества взаимодействуют с природной средой. Одна из таких матриц представлена в табл. 19.4, и в последующих разделах мы рассмотрим смысл некоторых ее элементов.

Микроэлементы (элементы А матрицы взаимодействия).Микроэлементами называются те химические элементы, которые встречаются в природе в концентрации 1*10 -6 или меньше. Как указывалось в гл. 7, многие из этих элементов распределяются по вертикали в водной толще так же, как питательные вещества, используемые для удобрения полей, и коррелируют с ними. Мы знаем, что многие морские организмы способны накапливать ионы редких металлов: например, как показывает табл. 19.5, в тканях моллюсков и ракообразных может содержаться свинец в концентрациях, в тысячи раз больших, чем в водах открытого океана [4].

Следовательно, чтобы в первом приближении определить, вредно ли повышение концентрации производимых нами тяжелых металлов, надо сравнить концентрации открытого океана с обогащением, происходящем в самих организмах. Из этого сопоставления легко сделать вывод, что обусловленное человеческой деятельностью увеличение содержания тяжелых металлов влечет за собой незначительные последствия. Напротив, поскольку естественное распределение микроэлементов очень близко к распределению питательных веществ, это наводит на мысль, что органический мир требует присутствия таких элементов.

Но иногда избыточные концентрации одного или нескольких тяжелых металлов причиняют огромный вред. Колонии моллюсков на прибрежных отмелях вблизи устья реки Кинтеро в Чили практически исчезли после того, как медеплавильный завод начал сбрасывать в эту реку сточные воды. В Минамате (Япония) за 1950-е годы сотни жителей получили ртутное отравление, потребляя в пишу рыбу и моллюсков из залива Минамата. Ртуть попадала в залив во сточными водами местных промышленных предприятий. Оставшиеся в живых оказались поражены различными хроническими заболеваниями, у многих ухудшилось зрение, расстроилась речь, резко возрос вес и ослабился слух.

Морские растения также могут подвергнуться воздействию тяжелых металлов. Эксперименты показывают, что процесс фотосинтеза в гигантских водорослях рода Масгоcyslis у берегов Калифорнии ослабляется на 50% после четырехдневного пребывания в воде с концентрациями (в млн-1) ртути 0,05, меди 0,1, никеля 2,0, цинка 10 [19].

Поражает, насколько много загрязняющих веществ поступает в океан через атмосферу (табл. 19.5). Каждый год в результате испарения в воздух попадает 350 тыс. т растворителей, используемых при химчистке, а также 1 млн. т бензина (314 млн. галлонов!) [13]; .10% свинца попадает из недр в океан через атмосферу из выхлопных газов, образующихся при сжигании этилированного бензина. (В настоящее время этилированный бензин в США уже почти не производится.)

Что касается тяжелых металлов, переносимых реками, то большая их доля не достигает открытого океана. Вместо этого ионы металлов соединяются с минеральными частицами или прилипают к ним и оказываются во взвешенном осадке; они осаждаются либо в эстуариях, либо на прибрежных отмелях. Отсюда следует, что речное загрязнение быстро передается эстуарной и прибрежной биосфере, особенно в бентосной среде обитания (см. также гл. 5).

Питательные вещества, используемые для удобрений (элементы В матрицы взаимодействия).Производимые людьми фосфаты и нитраты попадают в океан двумя путями: посредством сброса бытовых отходов и посредством смыва с возделываемых земель, на которых используются фосфорные и азотные удобрения. Оба эти источника в неявном виде присутствуют на схемах распределения, приведенных на рис. 19.19. Фосфаты и нитраты непосредственно вносятся в землю приморской зоны при ее сельскохозяйственной обработке или ввозятся из удобрявшихся внутренних районов в виде продовольственных и технических сельскохозяйственных продуктов либо переносятся реками как растворенные питательные вещества.

Поступление питательных веществ в прибрежные воды оказывает на них сильнейшее воздействие, приводя к избыточному размножению определенных растений. В результате видовое разнообразие уменьшается, так как эти растения не дают развиваться другим видам. В пресноводных озерах и реках такое воздействие называется эвтрофикацией. Там, где оно происходит, может измениться динамика всей пищевой цепи. Поэтому, приступая к изучению потенциального воздействия таких факторов, биологи в первую очередь стараются определить, не понижено ли видовое разнообразие в составе пищевой цепи, т. е. не исчезли ли какие-то виды. Другой мерой этого воздействия может служить резкое изменение обилия одного вида по сравнению с другими.

На рис. 19.20 показано, что эта проблема может оказаться весьма серьезной.

Сброс сточных вод у плотно населенных берегов Флориды составляет в обшей сложности 500 млн. галлонов в сутки (около 1,6 млн. м3/сут, что приблизительно равно 0,01 расхода реки Нил). Принимая за основу расчета средние концентрации фосфатов и нитратов в бытовых сточных водах (Foyn, в сб. [19]), мы получаем, что ежедневно в прибрежную зону Флориды поступает около 100 т веществ, используемых для удобрения полей. В долговременной перспективе это означает, что такой ежедневный выброс химикатов эквивалентен общему количеству удобрений, вносимых ежегодно примерно на 1000 акров обрабатываемой земли. За год выбрасывается столько удобрений, сколько хватило бы на 365 тыс. акров, или 600 кв. миль (1460 км2). И опять-таки читатель должен иметь в виду, что это новые питательные вещества, ввозимые, как говорилось ранее, в приморскую зону из других мест.

Бытовые сточные воды, направляемые по трубам прямо в море, обычно выбрасываются через серию выпускных сопел, называемых диффузорами (рис. 19.21).

Этим способом обеспечивается достаточное механическое перемешивание сбрасываемой жидкости, почти всегда менее плотной, чем морская вода, с окружающей морской водой, в результате чего смесь становится плотнее, чем вышележащий слой теплой поверхностной воды. Поэтому расходящиеся струи смеси сбросовых и морских вод поднимаются не выше плотностного раздела, приуроченного К термоклину. Таким образом, сточные воды не достигают поверхности, а прибрежные течения в конце концов относят их дальше от берега.

Углеводороды (элементы С матрицы взаимодействия).В докладе Национальной академии наук США за 1971 г. [20] обобщены данные о воздействии нефти и других углеводородов на морскую среду. Читатель может получить некоторое представление об этом, проанализировав табл. 19.6.

Во-первых, естественное просачивание нефти в морские воды сравнимо по размерам с утечкой в результате просачивания из морских нефтедобывающих скважин. Во-вторых, количество нефти, выбрасываемой ежегодно в море в результате работы танкеров и других судов, в пять раз больше, чем излилось при крушении танкера «Торри-Каньон» или при аварии морской буровой скважины у Санта-Барбары, Калифорния. В-третьих, самое большое количество нефти (0,8 млн. т/год), попадающей в море непосредственно в результате человеческой деятельности, связано с повседневной промышленной и экономической деятельностью в приморской зоне, а также с умышленным сливом нефти и нефтяных отходов (0,5 млн. т/год). Эти величины складываются из множества мелких составляющих, среди которых — слив отходов нефтепродуктов в систему канализации, утечка при транспортировке и перегрузке, мытье автосервисных станций и многие другие бытовые и промышленные отходы. Но заметьте, что самые значительные случаи попадания загрязняющих углеводородов в море являются результатом испарения летучих нефтепродуктов и производных от них веществ — таков их косвенный путь от человеческого общества в океаны.

Нефть попадает в море в ходе танкерных операций, когда в нефтяные цистерны (танки) закачивается водяной балласт, а затем вода выливается за борт, неизбежно захватывая нефтяную эмульсию. Судостроительная промышленность постепенно совершенствует эту процедуру: разрабатывается оборудование, улавливающее нефть и уменьшающее, таким образом, загрязнение моря.

Большие научные и технологические исследования направлены на то, чтобы ослабить эффект локального нефтяного загрязнения, например в случае аварии танкера. Нефтяные пленки, появляющиеся в заливах и гаванях, можно теперь собирать, расставляя вокруг них пластмассовые ограждения (рис. 19.22).

Пятна, образующиеся в открытом море и подвергающиеся там действию сильных волн и ветра, быстро растекаются на большую площадь. При аварии у Санта- Барбары образовалась нефтяная пленка, распространившаяся на 800 кв. миль (более 2 тыс. км2), но примерно через две недели она рассосалась — главным образом благодаря жизнедеятельности микроорганизмов. Бактерии играют очень важную роль в процессе окисления сырой нефти, поэтому в настоящее время проводятся серьезные исследования по созданию «супербактерий», которые можно было бы выпускать на нефтяные пятна, чтобы быстро с ними «расправляться». Недавно выяснилось, что важным первым шагом, способствующим разложению бактериями нефтяных пленок, является эмульгирование (создание эмульсии) нефти в воде. Представляется, что лучший способ рассеивать и удалять нефтяные пятна — собирать как можно больше малых судов и направлять их строем туда-сюда через пятно: их винты создадут эмульсию, в результате чего возникнет благоприятная обстановка для быстрого размножения бактерий.

Твердые отходы (элементы Е матрицы взаимодействия).Твердые отходы представлены широким ассортиментом выбрасываемых материалов — от строительного мусора до осадка, образующегося на станциях переработки сточных вод. Фактически первый важный закон, контролирующий загрязнение, был принят в США в 1899 г. Это «Закон о реках и гаванях», принятие которого было вызвано, в частности, тем, что затопленный строительный мусор стал препятствием для судоходства по морским фарватерам в акватории Нью-Йоркского порта.

Затопление осадка сточных вод в последние несколько десятилетий значительно возросло. Этот осадок представляет собой смесь жидких и твердых веществ, образующихся в результате очистки и переработки сточных вод, и его захоронение вызывает все большее беспокойство. Мы знаем теперь, насколько много вредных элементов захватывается частицами такого осадка: сколько, например, ядовитых химикатов типа ДДТ и ПХБ адсорбируется илом из взвеси в жидкостях и сколько ионов тяжелых металлов прилипает к частицам глины. Таким образом, осадок сточных вод — это поистине концентрат токсичных химических соединений. Полевые исследования показывают, что осадок, затопленный на мелководье шельфа, в течение длительного времени влияет на окружающее бентосное сообщество. В некоторых случаях остаточный органический материал в таком осадке соединяется с растворенным в воде кислородом и поглощает его слишком много, создавая проблемы для дыхания обитающих в море живых существ.

Другая категория твердых отходов — гравий, песок и глина, драгируемые со дна гаваней и вывозимые для затопления в область шельфа. На первый взгляд такой материал кажется безвредным и неопасным для морской биоты районов его затопления. Однако токсичные вещества из бытовых и промышленных стоков, так часто проникающие во внутренние воды населенных районов суши, адсорбируются, как правило, частицами глины и ила и легко концентрируются в тех самых твердых материалах, которые необходимо удалять драгированием. Затоплять в других местах поднятые со дна гаваней твердые отходы — значит, просто переносить загрязняющие вещества чуть дальше от берега. Драгирование и затопление поднятых со дна осадков также оказывают непосредственное воздействие на бентосные организмы — слизевые фильтраторы. Например, илистые суспензии, турбулентно циркулирующие у дна, могут погубить местные популяции двустворчатых моллюсков.

Сегодня все аспекты затопления отходов в океане регулируются в США законом 1972 г. о защите морской среды, научных исследованиях и заповедных объектах («Закон о свалках»). Лондонская конвенция 1976 г. по той же проблеме — международная программа, в рамках которой различные страны обмениваются данными о затопляемых материалах.

Радиоактивность (элементы F матрицы взаимодействия).Радиоактивность — чрезвычайно сложная проблема. Здесь мы коснемся только двух ее сторон: во-первых, выноса радиоактивных нуклидов низкого уровня радиоактивности из многих рассеянных источников и соответствующего вопроса об отдаленных последствиях такого выноса, а во-вторых, глубоководного захоронения радиоактивных веществ высокого уровня, таких как отработанное горючее атомных реакторов, и консервации самих этих реакторов, выведенных из эксплуатации.

На рис. 19.23 радиоактивность трактуется как процесс, в котором изначально нестабильный атом самопроизвольно отдает часть своей внутренней энергии и в результате этого приходит к некоторой стабильной атомной структуре.

Потеря энергии происходит в виде характерной цепи дискретных событий; некоторые из них показаны на рисунке для изначально нестабильного атома урана-238. Число, сопровождающее название элемента (в данном случае 238), — это сумма числа протонов и нейтронов в его атомном ядре. По мере того как атом теряет в процессе распада протоны и нейтроны, эта сумма уменьшается; в итоге атом с оставшимися в ядре частицами становится уже атомом другого элемента. Каждый элемент, занимающий какую-то ступеньку в ряду радиоактивного распада — хотя бы и на очень короткое время, — называется радионуклидом или радиоактивным изотопом; каждый из них имеет свой период полураспада, определяемый как время, в течение которого ровно половина первоначального числа атомов спонтанно распадается до следующей ступеньки в последовательности ядерных превращений.

Рис. 19.23 объясняет также, что дискретное выделение энергии при радиоактивном распаде бывает трех типов: испускание α- и β-частиц и ϒ-лучей. Самые массивные — α- частицы; каждая из них фактически представляет собой ядро атома гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Большой размер этих частиц означает, что они проникают в вещество только на небольшое расстояние, а затем останавливаются (страница этой книги задерживает большинство а-частиц). Но благодаря своей значительной массе α-частицы на небольшом расстоянии разрушают большое число атомов в каждой молекуле — это называется «ионизирующей радиацией». Если, например, радионуклид распадается, попав внутрь человеческого тела, то выбрасываемые им α-частицы ионизируют тысячи молекул живой ткани в малом объеме, и именно это делает α-частицы более опасными для людей, чем все остальные виды радиации. Бета-частицы — это единичные электроны. Они обладают высоким ионизационным потенциалом, но их вредное влияние распределяется в значительно большем объеме, так как они глубоко проникают в вещество, не теряя энергии. Гамма-лучи — самый проникающий из всех видов радиации; для защиты от них нужны свинцовые щиты.

Как оценить ионизирующую радиацию количественно?Один из способов измерить радиоактивность — установить число распадов в секунду. Такая единица измерения — один распад в секунду — называется беккерелем (Бк); 37 млрд, беккерелей составляют 1 кюри. Теперь можно показать различие между радиоактивными отходами с низким и высоким уровнями радиоактивности.

Отходы с низким уровнем излучают менее 370 Бк на 1 г массы, а с высоким уровнем — более 37 млрд. Бк а-частиц (1 кюри) или 3700 млрд. Бк 0-частиц или 7-лучей.

Доза облучения для людей. Предельная доза облучения — это мера биологического поражения, которое может выдержать человеческое тело. Еще одной широко используемой характеристикой является летальная доза, вызывающая смерть у 50% облученных (ЛД/50). Она устанавливается как 5 зивертов (Зв) в год. Для случая поражения 0-частицами или 7-лучами 1 зиверт определяется как доза, получаемая при поглощении 1 Дж энергии на 1 кг массы тела. Для а-частиц, наиболее смертоносных, 1 зиверт соответствует диапазону от 0,1 до 0,05 Дж/кг. Ежегодно каждый из нас получает около 0,0013 Зв от естественных причин, из которых 30% приходится на природные радиоизотопы углерод-14 и калий-40, содержащиеся в нашем теле; еще 0,01 Зв мы получаем вместе с медикаментами и при лечении зубов. Всего мы ежегодно получаем около 0,05% смертельной дозы ЛД/50 [22].

Доза облучения для морских организмов. Много исследований было посвящено воздействию ионизирующей радиации на различные морские организмы. Эксперименты проводились с использованием больших доз и короткого времени облучения, а результаты сообщались в виде значений ЛД/50 по конкретным радиоизотопам. Мы знаем теперь, что смертельная доза для простейших, таких как радиолярии и бактерии, в 100 раз выше, чем для человека, т. е. чем сложнее организм, тем он чувствительнее к радиационному воздействию. Другие исследования показывают, что доза облучения, вызывающая смертельное поражение взрослой рыбы, может быть в 30 раз большей, чем ЛД/50 для такой же рыбы в эмбриональной стадии. Это позволяет заключить, что радиация оказывает наиболее разрушительное действие на процесс воспроизводства и что стратегию захоронения радиоактивных отходов нельзя основывать на сведениях о влиянии радиации на взрослые организмы!

О воздействии веществ с низким уровнем радиоактивности, поступающих с атомных электростанций, уже можно судить благодаря наблюдениям в течение ряда лет за сбросом отходов Уиндскейлской АЭС в Великобритании. В табл. 19.7 измеренные дозы облучения как пелагических, так и бентосных видов, обитающих в Ирландском море возле места, куда сбрасываются стоки Уиндскейлской АЭС, сопоставляются с облучением подобных организмов в нормальных природных условиях.

Из этих данных можно сделать некоторые интересные выводы. Во-первых, наиболее подвержена облучению вследствие естественной радиоактивности трофическая цепь фитопланктон — зоопланктон — пелагические рыбы. Это наглядный пример того, как микроэлементы накапливаются на более высоких трофических уровнях. Естественные радионуклиды представлены здесь, вероятно, 14С и 40К. Как ни странно, накопление уиндскейлских искусственных радионуклидов идет от фитопланктона к зоопланктону, но не переходит к пелагическим видам. Во-вторых, моллюски получают большую часть своей дозы от радиоактивности осадков, из чего следует, что уиндскейлский зоопланктон собирает в своих фекальных выделениях радионуклиды, непосредственно поступающие затем в царство бентоса.

Стратегия контроля за захоронением радиоактивных отходов: что важнее — следить за предельно допустимой концентрацией или путями наиболее прямого попадания радионуклидов в человеческий организм? Срочное требование общества к науке о море в настоящее время — точно установить предельно допустимую концентрацию (ПДК) ионизирующего излучения, которую можно безопасно переносить. В этом отношении регулирование стока радиоактивных примесей проводится для обеспечения безопасности людей, а не животных. К счастью для морских животных, оказывается, что если установить приемлемые уровни для безопасности человека, то автоматически будут защищены и животные, так как они выдерживают более высокие уровни радиации. Но, к несчастью, мы не можем точно определить значения ПДК для длительного воздействия слабого излучения путем экстраполяции данных о ЛД/50, полученных для высокого уровня радиации за короткое время. Это чрезвычайно важная проблема, и она требует для своего решения чрезвычайно срочных мер.

В некоторых районах используется стратегия контроля, основанная на выяснении основных путей попадания радионуклидов в человеческий организм (табл. 19.8), посредством которых радиационное загрязнение наиболее быстро и интенсивно воздействует на людей.

Стратегия контроля в этом случае заключается в установлении множества пищевых и рекреационных связей между людьми и местной прибрежной экосистемой и в регулировании захоронения ядерных отходов, с тем чтобы эти наиболее прямые связи с человеческими существами приводили к более низким дозам облучения, чем величина предельно допустимой годовой дозы.

Захоронение сильнорадиоактивных отходов. Беспокойство по поводу захоронения отходов с высоким уровнем радиоактивности охватывает все более широкие круги населения. В наше время главный источник этих отходов — отработанные стержни ядерного топлива на реакторах АЭС. В табл. 19.9 перечисляются важнейшие радионуклиды, содержащиеся в этих отработанных стержнях, и наиболее вероятные пути их воздействия на человеческое тело.

Это интересный перечень. Заметим, что самая сильная радиация исходит от радионуклидов первой группы с короткими периодами полураспада — менее 5 лет. Их следует держать (что и делается) во временных защищенных хранилищах примерно 10 лет, в течение которых будет интенсивно происходить их распад, а затем их можно будет захоронить как отходы с низким уровнем радиации. Это не значит, что никакой опасности они не представляют. На деле радиоизотоп 144Cs исключительно опасен, так как он легко вступает в биохимические реакции. Однако ни один из таких радионуклидов не испускает α-частиц; они дают только 0- и 7-излучение.

Ко второй группе относятся изотопы с периодом полураспада примерно до 100 лет, и по прошествии 100 лет после захоронения они все еще опасны. Некоторые представители этой группы испускают и α-частицы, в частности радиоизотопы плутония; именно это причина того, почему плутоний так опасен для живых тканей.

Радионуклиды с самыми большими периодами полураспада относятся к ряду плутония, причем у самого долгоживущего из них 239Ри этот период равен 24 100 лет. Однако их уровень активности — самый низкий из всех перечисленных изотопов.

Что можно сделать с этим опасным мусором? Возможностей у нас немного.

1. Можно продолжать накапливать отходы на охраняемых территориях, как это делается в настоящее время. Хотя обеспечение сохранности этих веществ и общественной безопасности требует больших расходов (составляющих основную часть затрат на такое хранение), у этого способа есть одно преимущество, перевешивающее другие соображения. Оно заключается в той идее, что отработанные радионуклиды сегодня считаются отходами только потому, что мы не знаем, как их использовать. Оставив их для хранения еще на 100 лет и предполагая, что технологическое развитие в будущем не станет менее быстрым, чем в последние сто лет, мы добьемся того, что у нас под руками окажутся значительные запасы радионуклидов. Этот план позволяет избежать решений, которые могут оказаться необратимыми, или неразумными, или и тем и другим.

2. Можно изыскать самое тихое место на морском дне и погружать там отходы в контейнерах глубоко в осадочный слой. Со временем в результате разрастания морского дна эти материалы попадут в зону субдукции, и пройдет уже достаточно большое число периодов полураспада даже для изотопов ряда плутония, прежде чем они снова перейдут в земную кору. Когда я пишу это, данная схема находится в стадии самого активного изучения.

Болезнетворные микроорганизмы (элементы G матрицы взаимодействия).Необходимы специальные исследования, чтобы документально зафиксировать встречаемость, продолжительность действия и число типов вирусов, обнаруживаемых в прибрежных водах. Возможно, нам потребуется изучить и взаимодействие между человеческими вирусами и морскими организмами, а также то, как эти болезнетворные микроорганизмы переносятся через мясо животных, употребляемое в пищу.

Повышение температуры (элементы Н матрицы взаимодействия).В последние годы, когда полная генерируемая мощность одной электростанции возросла до 1 млн. кВт, потребность станции в воде для охлаждения часто оказывается выше расхода небольших местных рек. Поэтому участки для строительства электростанций выбирают на берегах океанов: их охлаждающая способность гораздо выше. Каковы главные критерии для оценки того воздействия, которое может оказывать такая станция на местное прибрежное общество?

Прежде всего вспомним, что скорость обмена веществ растет с температурой, так что вода, нагревшаяся при охлаждении блоков электростанции, может иметь определенную ценность. Например, такую воду можно подавать на сельскохозяйственные предприятия, где она ускорит рост растений и позволит увеличить прибыль. Вдоль береговой линии, где глубина моря быстро увеличивается, забор холодной воды может производиться ниже термоклина, так что поступающая в море нагретая вода — не только теплая и благодаря своей пониженной плотности устойчиво распространяющаяся в верхнем слое, но и богатая питательными веществами — представляет собой своего рода искусственный апвеллинг.

С другой стороны, проходящие вдоль берега течения всегда в какой-то мере турбулентны, так что сбрасываемая теплая вода транспортируется в море не по каким-то особым каналам, а скорее беспорядочным образом. Поэтому биологические сообщества в этой области могут попеременно оказываться то в прохладной воде, то в теплой. В случае больших разностей температуры такое чередование для некоторых морских организмов может оказаться вредным. В итоге каждый конкретный случай размещения на морском берегу предприятий, сбрасывающих нагретую воду, должен изучаться индивидуально.






Дата добавления: 2020-03-22; просмотров: 126;


Поделитесь с друзьями:

Вы узнали что-то новое, можете расказать об этом друзьям через соц. сети.

Поиск по сайту:

Введите нужный запрос и Знаток покажет, что у него есть.
Znatock.org - Знаток.Орг - 2017-2020 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.012 сек.