Текст
                    Г. В. СТАДНИЦКИИ, А. И. РОДИОНОВ
экология
Под редакцией
д-ра биол. наук, проф. ?. А Соловьева,
д-ра мед. наук, проф. ,Ю. А. Кротова
3-е издание, стереотипное
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
"ХИМИЯ"
1997


УДК 574 С 761 ББК 57.026 Рецензент д-р биол. наук, проф. В. А. Соловьев Стадницкий Г. В., Родионов А. И. С 761 Экология: Учеб. пособие для вузов - 3-е изд.- СПб: Химия, 1997. - 240 с: ил. ISBN 5-7245-1073-1 Последовательно изложены экологические основы рационального использования природных ресурсов, сведения о химии окружающей среды и трансформации физико-химических процессов в биосфере в результате антропогенной деятельности. Даются сведения о мониторинге окружающей среды. Излагаются экологические и санитарно-гигиенические принципы нормирования загрязняющих веществ - поступления их в окружающую среду и содержания в воздухе, воде и почве. Рассмотрены основы защиты окружающей среды на промышленном предприятии. Для студентов химико-технологических вузов. с ^03040000-ою Без объявл ББК 57 026 050@1)-97 Учебное пособие Стадницкий Георгий Вадимович Родионов Анатолий Иванович ЭКОЛОГИЯ Редактор И. А. Червякова Обложка художника Е. В. Шориной Технический редактор 3. Е. Маркова Корректоры М. 3. Васина, Л. А. Яшина ЛР № 010172 от 17 января 1997 г. Подписано в печать 13.01.97. Формат бумаги 60 х 90Vi6- Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 15,0. Уч.-изд. л. 16,8. Тираж 1 000 экз. Зак. № оЗ . С. 10. Издательство "Химия", СПб 191186, Санкт-Петербург, Невский пр., 28 Тел. коммерческой группы для оптовых покупателей 312-10-63 Отпечатано в ППО-1. Пушкин, Средняя, 3/8 © Г. В. Стадницкий, А. И. Родионов, 1996 ISBN 5-7245-1073-1 © Издательство "Химия", 1996
Введение. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ История человеческого общества — это история природопользования, т. е. утилизации природных тел и явлений (природных ресурсов) на уровне как отдельного индиридуума, так и более или менее крупных общественных групп. В отличие от любых других живых организмов, т&кже пользующихся природными ресурсами, человеку присуще волевое, разумное начало, связанное с целенаправленным преобразованием окружающей его среды. Все процессы, происходящие на нашей планете, как природные, так и антропогенные — по сути своей представляют движение химических элементов, преобразование их соединений. Химическое единство живого (организм) и неживого (среда) четко показано крупнейшим геохимиком современности В. И. Вернадским. Возникновение жизни из неживого (косного) вещества было химическим процессом, который осуществлялся в строго определенной последовательности и закономерности. Живой организм (ив частности, человек) в своей деятельности использует и преобразует природные химические соединения. Извлечение организмом энергии, аккумулированной другими живыми организмами, в процессе использования этих организмов в качестве пищи или топлива — суть химические процессы, связанные с радикальной трансформацией вещества. Организм, как сложно организованная совокупность химических соединений и происходящих в нем биохимических процессов, может осуществлять обмен веществом с окружающей его средой (тоже совокупностью химических соединений) только при определенных условиях — при соответствии ассимилируемых им веществ тем биохимическим процессам и структурам, которые в ходе эволюции и корректировки (отбора) сформировались и приобрели способность передаваться по наследству от предков к потомкам. Воздействие человека на окружающую его природную среду сопровождалось, как известно, созданием и совершенствованием орудий труда и процессов, производства. Это позволило человеку в относительно короткие сроки освоить практически всю территорию планеты, прогрессивно вовлекать в использование новые, ранее недоступные ресурсы,, одновременно создавая новые орудия труда и радикально преобразуя природу. Научно-технический прогресс превратил примитивное устройство для получения огня трением в современные химические котлы
и атомные электростанции и в конечном счете привел к научно- технической революции (НТР) —качественному изменению производительных сил на основе превращения науки в ведущий фактор развития общества и в непосредственную производительную силу. Таким образом, НТР—это коренной переворот в производительных силах общества при опережающей роли науки, но одновременно и коренной переворот в химии окружающей природной среды. Охота и собирательство существенно не влияли на ход природных физико-химических процессов на Земле, а современное вовлечение в использование масс вещества, добываемого из недр, неизбежно сопровождается в глобальных масштабах трансформацией одних химических соединений в другие. В силу закона сохранения массы новые соединения остаются в пределах планеты, но многие из них не соответствуют эволюционно выработанным биохимическим процессам, что дает основания считать это явление загрязнением среды. Воздействие человека на природу Земли сводится к четырем главным формам: изменение структуры земной поверхности (распашка земель, горнодобыча, вырубка лесов, осушение болот, создание искусственных водоемов и водотоков и т. п.); изменение химии природной среды, круговорота и баланса веществ (изъятие и переработка полезных ископаемых, размещение отходов производства в отвалах, на полигонах, в атмосферном воздухе, водных объектах); изменение энергетического (в частности, теплового) баланса в пределах как отдельных регионов земного шара, так и на планетарном уровне; изменения в составе биоты (совокупности живых организмов) в результате истребления одних видов животных и растений, создания других видов (пород), перемещения их на новые места обитания (интродукция, акклиматизация). Природные ресурсы — это совокупность естест- природные венных тел и явлений, которые общество исполь- классификация 3Ует в своих Целях в настоящее время или сможет использовать в будущем. Таким образом, химические соединения, используемые человеком в процессе эксплуатации живых и неживых химических компонентов природы, также являются природными ресурсами. Существует много классификаций природных ресурсов, основанных на различных целевых подходах к их эксплуатации. Ресурсы классифицируют с точки зрения их доступности (реальные и потенциальные), происхождения (природные, антропогенные), химической природы (органические, минеральные), по принадлежности к тем или иным компонентам природы (земельные, водные, ископаемые, растительные, в том числе лес-
яые), по назначению (производственные, научные, эстетические, рекреационные), по сфере использования (энергетические, сырьевые, пищевые). Ресурсы делят также на первичные (непосредственно добываемые в природе) и вторичные материальные (поддающиеся утилизации побочные продукты различных отраслей). Назовем также экологические ресурсы — качество окружающей среды, соответствующее требованиям человеческого организма. В связи с нарастающими темпами использования природных ресурсов возникла проблема их, исчерпаемости. Поэтому для инженеров важное значение имеет классификация, позволяющая оценить природные ресурсы с точки зрения их исчерпаемости и возобновимости. На первом уровне классификации (рис. 1) все ресурсы можно разделить на неисчерпаемые и исчерпаемые. К неисчерпаемым ресурсам относятся преимущественно процессы и явления, внешние по отношению к нашей планете или присущие ей как космическому телу. Прежде всего — это ресурсы космического происхождения, ъ частности энергия солнечного излучения и ее производные — энергця движущегося воздуха, падающей воды, морских волн, а также энергия приливов и отливов, морских течений. Общей производной от космических ресурсов являются ресурсы климатические, к числу которых (кроме названных выше солнечного излучения и вет- ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ ОБЩЕСТВА ИСЧЕРПАЕМЫЕ Возобновимые (мир живых организмов) НЕИСЧЕРПАЕМЫЕ (энергия солнечного излучения и ее производные) Невозобновимые (ископаемое сырье и энергоносители) Относительно возобновимые. (почва, торф, древесина) Вода, атмосферный воздух Рис. 1. Классификация природных ресурсов по их исчерпаемости и возобновимое™
pa) относятся и атмосферные осадки. Разумеется, эти ресурсы являются неисчерпаемыми лишь пока и поскольку существует Солнечная система. К исчерпаемым ресурсам относятся все природные тела (живые и косные), находящиеся в пределах земного шара как физически конечного, имеющего конкретную массу и объем природного тела. В состав исчерпаемых ресурсов входит животный и растительный мир, минеральные и органические соединения, содержащиеся в недрах Земли (полезные ископаемые). Все исчерпаемые ресурсы могут быть далее классифицированы по их способности к самовосстановлению. Например, ресурсы животного и растительного мира безусловно являются возобновимыми*, поскольку способны самовоспроизводиться за счет обменных процессов. На Земле обитает по разным оценкам от 1,5 до 5 млн видов живых организмов, из которых не менее 80 % приходятся на животных, а из последних ориентировочно 70—75 % составляют беспозвоночные, в основном насекомые. Но соотношение биомасс животных и растений обратное: биомасса животных не превышает 1 % от биомассы растений. Взаимоотношения человека и живых организмов сложны и разнообразны. В общем случае воздействие человека на живую природу можно свести к трем основным направлениям. Во-первых, растения и животные служат для человека источником пищи, одежды (включая меха и волокна), технического сырья, топлива, предметов роскоши, и человек постоянно добывает их, уменьшая их численность и биомассу. С другой стороны, в ряде случаев растения, животные, а также микроорганизмы оказываются нежелательными, являясь сорняками в сельском хозяйстве, переносчиками или возбудителями заболеваний или вредителями. Достаточно вспомнить эпидемии чумы и холеры или массовые размножения некоторых, насекомых (саранча, колорадский жук, сибирский шелкопряд), после которых имели место потери урожая сельскохозяйственных культур и древесины. Во-вторых, массовая гибель животных вызывается широким проникновением химии в процессы природопользования, в частности химизацией сельского и лесного хозяйства. Для удобрения земель, уничтожения вредителей, переносчиков и возбудителей заболеваний используются ныне десятки тысяч специально синтезированных органических и неорганических соединений химических элементов на основе серы, хлора, фосфора, мышьяка, ртути. Суть химической защиты растений заключается в це- * Очень часто в классификациях используется слово «возобновляемые», совершенно неприемлемое с точки зрения нормативного русского языка, поскольку в данном случае оно подразумевает вопрос «кем?». 8
ленаправленном изменении химии окружающей среды для нежелательных организмов (загрязнении среды для них), но при этом неизбежны побочные эффекты — отрицательное воздействие на весь комплекс живых организмов, включая совершенно безвредных, а также на человека. Эксплуатация одних видов животных и растений и целенаправленное уничтожение других (считающихся вредными) снижает их численность вплоть до полного уничтожения на больших площадях. В-третьих, следует иметь в виду, что все живые организмы существуют в виде специфических группировок (популяций, о которых речь далее) в определенных местах обитания — природных системах, где физическая и химическая среда соответствует их биохимическим требованиям. Воздействие общества на природные системы в форме вырубки лесов, гидротехнического, городского и промышленного строительства, распашки целинных степей, открытой добычи полезных ископаемых приводит к исчезновению мест обитания животных и растений. Таким образом, названные три направления приводят к снижению численности и даже к уничтожению животных и растений (их биологической и химической массы), причем темпы их восстановления неизмеримо отстают от темпов эксплуатации, что превращает их из исчерпаемых ресурсов в исчерпанные. За последние 370 лет, по некоторым данным, с лица Земли исчезло 130 видов птиц и млекопитающих, а сотни видов вписаны в Красную книгу — скорбный перечень видов, находящихся под угрозой исчезновения. При этом численность некоторых видов исчисляется ныне сотнями пар или даже десятками особей. Многие сохранились только в зоопарках. . Утрата любого, даже самого бесполезного, на первый взгляд, вида означает необратимое обеднение генетического фонда планеты. К исчерпаемым невозобновимым ресурсам относятся ресурсы недр планеты, в первую очередь, руды металлов и неметаллов, подземные воды, твердые строительные материалы (гранит, песок, мрамор и т. п.), а также энергоносители (нефть, газ, каменный уголь). Ведь их можно использовать только однократно, и способностью к самовосстановлению они не обладают. Они образовывались в течение сотен миллионов лет в прошлые геологические эпохи, включая те времена, когда на Земле происходили сложные электрохимические, вулканические, тектонические процессы. С другой стороны, каменный уголь, например, — это продукт фотосинтеза растений прошлых геологических эпох (мезозоя). Сегодня практически нет условий для аналогичных процессов, но даже если допустить, что процессы минералообразования происходят и в настоящее время, то их темпы несоизмеримо малы в сравнении с темпами изъятия и преобразования обществом.
Темпы эксплуатации ресурсов недр постоянно возрастают. За последние 100 лет годовое потребление угля, железа, марганца, никеля увеличилось в 50—60 раз, вольфрама, алюминия, молибдена, калия — в 200—1000 раз. Есть расчеты, показывающие, что для удовлетворения потребностей общества к 2000 году необходимо произвести 29,3 млрд т металлов, добыть 645,5 млрд т неметаллических полезных ископаемых (соли, строительные материалы), около 230,7 млрд т твердого и жидкого топлива, 69,5 млрд-м3 природного газа. Полагают, что при сохранении темпов потребления запасов алюминия хватит на 570 лет, железа — на 150 лет, цинка — на 232 года, свинца — на 19 лет*. Имеются самые различные оценки ресурсообеспе- ченности общества, однако все они являются достаточно приблизительными. Важно понять сам факт ограниченности ряда ресурсов. Существуют и более жесткие данные, хотя до сих пор многие подобные прогнозы оказывались ошибочными. Однако, даже если благодаря научно-техническому прогрессу будут внесены существенные коррективы в указанные сроки, суть дела не меняется: факт исчерпания ряда месторождений, причем наиболее доступных, уже налицо. Особую категорию с точки зрения исчерпаемости и возобновимое™ представляют собой земельные и лесные ресурсы. Почва — основа всех материальных благ, богатство, от которого зависит благосостояние человека. Главным свойством почвы является ее плодородие, т. е. способность производить урожай растений. Почва представляет собой естественно- историческое биокосное тело, возникшее в результате физического, химического и биологического выветривания горных пород в обстановке различного климата, рельефа и в условиях земной гравитации. Почвообразовательный процесс длителен и сложен. Он продолжается непрерывно, но известно, что слой черноземного горизонта толщиной 1 см образуется примерно за столетие. Утрачен же он может быть за гораздо более короткий срок — от нескольких лет до нескольких часов. Неправильная обработка почвы, экстенсивное сельское хозяйство (повышение продукции сельского хозяйства не за счет повышения урожайности, а за счет вовлечения новых земель), вырубка лесов ведут к интенсивным процессам водной и ветровой эрозии (от лат. эродере — разъедать). Кроме того, земельные угодья, включая самые ценные — пашню, могут исчезать в результате других видов природопользования. Таким образом, будучи в принципе возобновимым ресурсом, почва может восстанавливаться (или по крайней мере не разрушаться) только при условии жестко * См., например, Олдак П. Г. Современное производство и окружающая среда. М.: Наука, 1979. С. 37. Новиков Э. А. Человек и литосфера. Л.: Недра. 1976. С. 30—31. 10
регламентированного бережного использования. Это обстоятель-. ство дает основания оценивать ее как относительно возобновимый ресурс. Отметим, что из общего земельного фонда планеты, равного 149 млн км2, лишь 13 % составляет земледельческая площадь и 27 % приходится на травянисто- кустарниковые пастбища и луга. Средняя обеспеченность пахотными землями составляет в России чуть более 0,8 га/чел, и имеет тенденцию к снижению. К относительно возобновимым ресурсам необходимо отнести и лесные ресурсы, в частности древесину. Древесина — совокупность полимеров растительного происхождения и как ресурс, способный к самовосстановлению, является исчерпаемым возобновимым. Суммарный запас древесины, например, на территории России (самой богатой лесами страны мира) составляет 79-109 м3*. Средний годичный прирост древесины составляет около 855-106 м3, а ежегодный объем рубки— менее 400 • 106 м3. Следовательно, ежегодно вырубается не более половины того, что прирастает, и, казалось бы, никаких проблем с древесиной быть не должно. Однако приведенные данные относятся к суммарному запасу и приросту биомассы, в который входит древесина, накапливающаяся как в хвойных, так и в лиственных, как в спелых, так и в неспелых (включая молодняки), как в доступных, так и в недоступных лесах. Но для лесоперерабатывающих отраслей предпочтительна пока древесина хвойных пород (ель, сосна, кедр), причем не любая, а лишь такая, которая отвечает определенным техническим и технологическим требованиям. Прирост именно такой древесины отстает от объема ее изъятия. Возобновление леса после рубки в большинстве случаев происходит через смену хвойных пород лиственными в течение многих десятилетий. Таким образом, при сохранении и накоплении общего запаса древесцны в лесах, деловая, требующаяся производству древесина оказывается исчерпаемым и лишь относительно возобновимым ресурсом. Поскольку, однако, научно-технический прогресс направлен на освоение и использование любой древесины в промышленности, острота проблемы может быть снижена. При всем сказанном следует иметь в виду двойственную природно-ресурсную сущность лесов, являющихся одновременно источниками (производителями) сырья и средообразующим фактором глобального значения. Поэтому эксплуатация лесов для получения древесины должна в обязательном порядке (т. е. на основании законодательства) учитывать космическую, почво- и водозащитную, климатообразующую, рекреационную и другие функции лесных систем. * Лесная энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1986, т. II. С. 317—319.
Особый статус имеют два важнейших природных тела, являющихся не только природными ресурсами, но и одновременно основными составляющими среды обитания жизни: атмосфера и гидросфера. Формально оба эти тела являются неисчерпаемыми, поскольку в силу чисто физических причин на нашей планете возможно строго определенное количество вещества в одном из трех агрегатных состояний — твердом, жидком и газообразном. Исчезновение воды в том или ином регионе (пересыхание рек, образование пустынь на месте морей, исчезновение, в частности, Аральского моря) не означает, что воды стало меньше: она просто перемещается в другие места, пополняя Мировой океан, запасы влаги в атмосфере и т. п. Вместе с тем запасы пресной воды, пригодные к использованию, составляют около 2,5 % ее общего объема, треть из которых локализована в ледниках и «снежном покрове. Пресная же вода, образующая годовой сток, из-за разбавления в ней промышленных и бытовых сточных вод, практически не пригодна к использованию без специальной обработки: очистки или водоподготовки. Это справедливо и для атмосферного воздуха, который в ряде городов и промышленных центров сильно загрязнен, и содержащиеся в нем примеси оказывают вредное воздействие на людей и другие живые организмы. Таким образом, будучи неисчерпаемыми в количественном отношении, атмосферный воздух и вода являются исчер- паемыми качественно, по крайней мере локально. Некоторые В век научно-технической революции человечество начало количественные осваивать почти все доступные ему возобновимые и неоценки физико- возобновимые ресурсы. При этом значительная часть нехимического возобновимых ресурсов уже использована. Во многих преобразования странах некоторые возобновимые ресурсы (древесина, гид- биосферы роэнергия, пресная вода) используются практически пол- человеком ностью. В настоящее время человек эксплуатирует более 55 % суши, использует около 13 % речных вод, скорость сведения лесов достигает 18 млн га в год. В результате застройки, горных работ, опустынивания и засоления теряется от 50 до 70 тыс. км2 земель в год. При строительных и горных работах перемещается более 4 км3 грунтов в год, извлекается из недр Земли ежегодно 100 млрд т руды, сжигается 7 млрд т условного топлива, выплавляется более 800 млн т различных металлов, рассеивается на полях свыше 500 млн т ядохимикатов, 1/3 которых смывается поверхностными стоками в водоемы или задерживается в атмосфере. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), в практике в настоящее время используется до 500 тыс. химических соединений. Около 40 тыс. соединений обладают вредными для человека свойствами, а 12 тыс. токсичны, многие являются канцерогенами. В отдаленные эпохи развития человечества (бронзовый век — 3—2-е тысячелетия до н. э„ железный век—1-е тысячелетие до н. э.) использовалось не более двух десятков химических элементов и их соединений. В XVIII в. их число достигло 28, к началу XX в. — 59. В настоящее время используются практически все (около 100) элементы периодической системы. 12
Нарастающие темпы индустриализации связаны с численным ростом народонаселения. В начале XX в. на планете жило 1,5 млрд чел., в 1970 г.— 3,6 млрд (рост в 2,4 раза), 11 июля 1987 г. родился пятимиллиардный житель планеты, а к 2000 г. ожидается численность, равная 6 млрд человек*. Ежегодный прирост составляет 70—80 млн чел. При этом нарастает количество крупных городских агломераций, называемых конурбациями (от лат. урбанус — город). С 1950 по 1983 г. число жителей в городах увеличилось в 2,6 раза (с 730 до 1895 млн чел.), в то время как сельское население возросло лишь на 53 %. В 1900 г. было 10 городов с населением свыше 1 млн чел., а в начале 80-х гг. — 209 **. Есть расчеты, согласно которым суточный расход энергии в каменном веке составлял примерно 16,8-103 кДж на человека, в эпоху животноводства и земледелия — 50,2-103, в индустриальном обществе —293,3-103, а © настоящее время в развитых странах достиг (964—1047) Ю3 кДж на человека 3*. По сравнению с ростом населения, потребление энергии и материалов в XX в. происходило опережающими темпами. В период с 1900 по 1970 г. энергоемкость промышленного и сельскохозяйственного производства возросла в 4,5 раза, а материалоемкость — в 4,2 раза. При сохранении сложившихся темпов роста населения в 2000 г. потребление энергии увеличится в 12 раз, а материалов — в 9 раз по сравнению с 1900 г. Прогнозировалось, что за период 1973—2000 гг. будет добыта 905,5 млрд т полезных ископаемых, при этом должно быть переработано 950 млрд м3 пустых пород. Таким образом, вмешательство людей в естественные природные процессы резко возрастает и может способствовать изменению режима грунтовых и подземных вод в целых регионах, поверхностного стока воды, структуры и состояния (плодородия) почв, интенсификации их эрозии, активизации геохимических и химических процессов в атмосфере, гидросфере, литосфере, изменению макроклимата и т. д. Современная деятельность, например строительство гидротехнических сооружений, шахт, рудников, дорог, скважин, водоемов, дамб, деформация суши ядерными взрывами, строительство гигантских городов, обводнение и озеленение пустынь и многое другое, уже вызывает подобные процессы. Использование человеком как частью природы других ее составляющих и преобразование природной среды в интересах общества неизбежны и закономерны, так как они осуществляются в силу действия как законов природы, так и социальных законов развития общества. Тем самым научно-технический прогресс не есть нечто чуждое природе, противоречащее ей. Наоборот— это один из последовательных и закономерных процессов ее эволюции. Но при этом закономерны и возникающие экологические и ресурсные проблемы. * См. «Известия», 1987, 13 июля. ** Брук С. И. Народонаселение мира. М.: Наука, 1986. С. 59—63. 3* Реймерс Н. Ф. Надежды на выживание человечества. Концептуальная экология. М.: Изд. центр «Россия молодая», 1992. 365 с. 13
Следовательно, человеческое общество обязано уметь оценить пределы допустимых физических, химических структурных изменений в природе и не переступать эти пределы. Совершенно очевидно, что эта задача решается на основе дальнейшего научно-технического прогресса, включающего корректировку и преобразование принципов, способов и техники природопользования. Поэтому охрана природы, обеспечение соответствия ее химии требованиям жизни в Настоящем и будущем представляет собой задачу ответственных профессионалов на их рабочих местах.
Глава 1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИИ 1.1. ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ Даже выйдя в космос и научившись многие месяцы жить под водой, человек остался биологическим видом, которому необходимы строго определенные (эволюцией) условия окружающей среды, или факторы: газовый состав воздуха, набор ассимилируемых с пищей веществ, температура, режимы освещенности, влажности и многое другое. Требования любого живого организма к качеству окружающей среды консервативны. При изменении режимов факторов, отклонении тех или иных составляющих природной среды от некоторой требуемой организму нормы возможны нарушения жизнедеятельности вплоть до несовместимости этих отклонений с жизнью. Невозможно «охранять природу» и обеспечить высокое качество среды обитания, экологически корректно пользоваться природой, не зная, что она собой представляет, по каким законам существует и развивается, как взаимодействует с человеком, с производством, какие предельные нагрузки на природные системы может общество допустить, чтобы не разрушить их с неизбежным ущербом для себя. Все эти вопросы и являются предметом экологии. Экология — это наука об отношениях организмов или групп организмов к окружающей их среде или наука, о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания. Существуют и другие определения экологии. Например, считается, что экология—это наука, исследующая закономерности жизнедеятельности организмов (в любых ее проявлениях, на всех уровнях интеграции) в их естественной среде обитания, с учетом изменений, вносимых в среду деятельностью человека *. Термин «экология» предложен в 1869 г. немецким ученым Эрнстом Геккелем и образован из двух греческих корней: ойкос — дом, жилище, логос — слово. Под экологией Э. Геккель понимал сумму знаний, относящихся к экономии природы: изучение всей совокупности животного с окружающей его средой, как органической, так и неорганической, и прежде всего — era дружественных или враждебных отношений с теми животными и растениями, с которыми оно прямо или косвенно вступает в контакт. Как видим, в этом понимании экология касается в первую очередь царства животных. * Радкевич В. А. Экология. Минск: Вышейш. шк., 1977. С. 11. 15
Экология изучает организацию жизни на трех уровнях. Во- первых, взаимодействие отдельного организма со средой его обитания (образ жизни, взаимодействие с отдельными элементами окружающей среды, поведение и т. п.). Данный раздел называется аутэкологией (от греч. аутос — сам). При таких исследованиях используются лабораторные эксперименты, тесты, специальное оборудование. Аутэкологические методы используются и при изучении воздействия на организм вредных веществ, содержащихся в промышленных выбросах, а также вредных и опасных физических производственных факторов. Однако в реальной жизни ни один организм не существует вне связи с другими — себе подобными, т. е. особями того же вида. Большинство организмов (растений, животных) существуют в виде особых группировок (популяций или внутрипопу- ляционных групп), каждая из которых обладает качественно иными реакциями на окружающую среду, нежели одна особь. Группировки меняют численность во времени и пространстве под воздействием многих условий среды (физические параметры, качество пищи и др.), обладают свойством накапливать и расходовать вещество и энергию, им свойственны более сложные реакции на изменения среды, чем реакции индивидуума. Раздел экологии, изучающий взаимоотношения между организмом и средой на уровне группы особей одного вида, называют демэкологией. Хотя под термином «дем» понимают небольшую относительно изолированную группировку позвоночных животных, самостоятельно существующую в течение ограниченного числа поколений, демэкологию в ряде случаев рассматривают как экологию популяций *. Но и такого подхода недостаточно. Невозможно понять биологические особенности того или иного вида, прогнозировать его динамику и поведение его дема в изменяющейся среде и те;м более управлять им в интересах человека, если не рассматривать его во взаимоотношениях со всеми остальными компонентами окружающей среды. Так, невозможно успешно проводить лесовосстановительные работы или выращивать сельскохозяйственные культуры, если не знать всех взаимодействий растения с другими видами животных и растений. Стабильность природной системы во времени поддерживается взаимодействиями между всеми ее живыми и неживыми составляющими. Продукцию системы создают популяции разных видов растений. Комплексное изучение «групп организмов, образующих определенные единства», является предметом синэкологии (от греч. син — вместе). * Реймерс Н. Ф. Природопользование. Словарь-справочник. М.: Мысль, 1990. С. ПО, 111, 595. 16
Кроме того, экология классифицируется по отношению к крупным группам организмов и средам обитания. Например, выделяют экологию животных, растений, микроорганизмов (рис. 1.1). Взаимодействие организмов и среды можно исследовать на уровне особи, группы, а также в водной среде, в почве, в атмосфере, космическом пространстве. Объекты изучения могут обитать в тропической, умеренной, полярной зонах, в естественных, измененных или созданных человеком системах, в загрязненной и незагрязненной среде*. Ныне интенсивно развивается направление экологических исследований, связанных с загрязнением природной среды и антропогенной конверсией природных систем. Общие законы экологии в полной мере справедливы для такого биологического вида, как Homo sapiens, хотя его социальная сущность относительно выделяет его из общего мира живой природы. Экология человека — это комплексная дисциплина, исследующая общие законы взаимодействий биосферы и экология ^—¦ Теоретическая "- -*. —-_ Прикладная г 1 Космическая] Человека Микроорганизмов Девственных природных систем Полярной зоны Антропогенных систем Незагрязненных систем Загрязненных систем Рис. 1.1. Классификация подразделений экологии По Де Санто, 1977, с изменениями * См., например, De Santo R. S. Concepts of Applied Ecology New York, Heidelberg, Berlin: Springer-Verlag, 1978. P. 4. 17
антропосистемы (структурных уровней человечества, его групп и индивидуумов), влияние природной среды (в ряде случаев и социальной) на человека и группы людей. Отдельно исследуется экология человеческой личности и человеческих популяций, в том числе этносов. Этнос — это «исторически сложившаяся, целостная и устойчивая общность людей, характеризующаяся определенными особенностями физического и психического склада, культуры, исторического развития и отношений с окружающей природной средой (и потребностей в определенном ее виде), и нередко политической судьбой» *. Выделяют также социальную экологию как научную дисциплину, рассматривающую взаимоотношения в системе общество— природа и разрабатывающую научные основы рационального природопользования. Однако между экологией (взаимодействием со средой) группы людей и социальными проблемами нельзя ставить знак равенства, а природопользование — предмет отдельной области знаний, отнюдь не являющейся частью экологии и тем более ее синонимом. Безусловно, экология есть научная база природопользования, она влияет и на социальные проблемы, но словосочетание «социальная экология», в сущности, бессмысленно. С учетом того, что человек ныне резко расширил среду своего обитания, осваивая и познавая не только околоземное, но и отдаленное космическое пространство, возникла специфическая область экологии — космическая антропоэко- л огия. Из всего изложенного выше следуют и задачи экологии как самостоятельной научной дисциплины**: 1. Исследование закономерностей организации жизни, в том числе в связи с антропогенными воздействиями на природные системы и биосферу в целом. 2. Создание научной основы эксплуатации биологических ресурсов, прогноз изменений природы под влиянием деятельности человека и управления процессами, протекающими в биосфере, сохранение среды обитания человека. 3. Разработка системы мероприятий, обеспечивающих минимум применения химических средств борьбы с вредными видами. 4. Регуляция численности живых организмов. 5. Экологическая индикация при определении свойств тех * Реймерс Н. Ф. Природопользование. Словарь-справочник. М.: Мысль, 1990. С. 622. ** Гиляров М. С, Винберг Г. Г., Чернов Ю. И. Экология — задачи и перспективы. Природа, 1977, № 5. С. 3—10. 18
или иных элементов ландшафта *, в том числе индикация состояния и загрязнения природных сред. 1.2. ЭКОЛОГИЯ И ДРУГИЕ ОБЛАСТИ НАУЧНОГО ЗНАНИЯ Экология, как следует из ее определения, — биологическая дисциплина. Однако в сознании человека она в настоящее время ассоциируется с проблемами, возникшими в результате радикального преобразования природы под воздействием антропогенной деятельности. Поэтому она связана не только с биологическими, но и с техническими, и с социальными науками. Рассмотрим последовательно некоторые из этих связей. Философия. Академик И. П. Герасимов полагал, что экология — не столько отрасль науки, сколько метод мышления, принцип подхода. Практически все философские школы прошлого, начиная с глубокой античности, пытались осмыслить взаимоотношения природы и человека. Философов интересовали проблемы возникновения жизни, ее развития, влияния окружающей среды на человека и влияния человека на природу. Вопрос о том, что может себе позволить человек в природе и на что он не имеет права, — не только чисто практический, но и философско-этический. Безоговорочное преклонение и страх перед силами природы, ее фетишизация на ранних этапах развития человечества сменились уже в нашем тысячелетии вульгарно- практическим подходом к ней как к некоторой несовершенной системе, которую человек призван преобразовать и улучшить. Зачастую за этими взглядами стояли чисто хищнические устремления, желание брать у природы все необходимые ресурсы бесконтрольно, ради сиюминутной выгоды. Поклонение природе (с неизбежным уважением к ней), обеспечивавшее ее -сохранение, уступили место столь безобразным явлениям, как уничтожение животных не ради поддержания собственной жизни, а в спортивных целях, ради удовлетворения низменных страстей (спортивная охота). По мере того как человечество начинало осознавать беспредельность научно-технических возможностей, появилось стремление во что бы то ни стало «улучшать» природу. Возникла философия насилия над природой, победы над ней, ее усмирения и укрощения. Негативные последствия такого подхода не замедлили сказаться, что отмечали, в частности, философы диалектического материализма. К. Маркс в письме к Ф. Энгельсу 25 марта 1868 г. писал, что «... культура, если она развивается стихийно, а не направляется сознательно, оставляет после себя пустыню» (Маркс К., Энгельс Ф., Соч., т. 32. С. 45). Ф. Энгельс высказывался по этому поводу следующим образом: «Не будем. .. обольщаться нашими победами над природой. За каждую победу она вам мстит. Каждая победа имеет те последствия, на которые м-ы рассчитывали, ... но и совсем другие, непредвиденные последствия, которые часто уничтожают значение первых» (Там же, т. 20. С. 495—496). В настоящее время деятельность общества практически привела природу к состоянию экологического кризиса, грозящего экологической катастрофой**, т. е. ситуацией, когда природа Земли окажется * Ландшафт — природный географический комплекс, в котором все основные компоненты (рельеф, климат, воды, почвы, растительный и животный мир) находятся в сложном взаимодействии и взаимообусловленности, образуя однородную по условиям, единую, неразрывную систему. ** Под экологическим кризисом понимают напряженное состояние взаимоотношений между человечеством и природой, характеризующееся несоответствием между развитием производительных сил и производственных отношений в обществе, с одной стороны, и ресурсо-экологическими возможностями биосферы — с другой. Кризис считается обратимым состоянием, а катастрофа — ситуация необратимая. В настоящее время локальные экологические катастрофы уже имеют место (Аральское море, опустынивание огромных территорий вследствие подсечного земледелия). 19
непригодной для обитания на ней живых существ. Поэтому философская мысль работает в направлении поиска путей гармонизации в развитии общества и природы. Рассматривать философские проблемы взаимодействия общества и природы в данной книге нет возможности, хотя некоторые вопросы так или иначе будут затронуты в соответствующих разделах. Интересующимся этими проблемами мы рекомендуем ознакомиться с такими произведениями как «Происхождение видов» Ч. Дарвина, «Номогенез или эволюция на основе закономерностей» Л. С. Берга, «Феномен человека» Тейяр де Шардена, «Диалектика природы» Ф. Энгельса и, наконец, с классическими трудами нашего великого соотечественника Владимира Ивановича Вернадского — основателя современного учения о биосфере и ее эволюции. Актуальным философским элементом является экологическая этика, связанная с экологически корректным обращением человека с природой, нравственным осознанием того, что все живые организмы имеют равное с человеком право жить на планете и лишать жизни другое существо или вредить ему безнравственно, по крайней мере, если это не вызвано жизненной необходимостью. Не «любовь», а уважение к природе должно лежать в основе этики природопользования. Напомним, что «природа — не храм, а мастерская, и человек в ней — работник» (И. С. Тургенев). Биологические науки. В основе экологии лежит фактологический материал многих других отраслей биологии, поскольку эффект воздействия среды на организмы оценивается по конкретным биологическим признакам. Назовем, в частности, морфологию — учение о строении организмов, включающее анатомию (внутреннее строение), эмбриологию (зародышевое развитие), гистологию (строение тканей), цитологию (учение о клетке). Процессы взаимодействия организма с химическими компонентами окружающей среды являются предметом физиологии и биохимии, а внешние реакции — предметом этологии (науки о поведении). Все эти области знаний в равной мере касаются человека, других животных, растений, микроорганизмов, вследствие чего они могут входить как составные части в антропологию, зоологию,, ботанику, микробиологию и др. Математика. Исследуя любые взаимодействия между организмами и средой, человек оценивает тесноту их связи, уровни воздействия и реакций, изменения во времени и пространстве, корреляции между режимами условий окружающей среды и биологическими (в широком смысле) характеристиками индивидуумов, групп, сообществ. Экология — точная наука, и поэтому все эти взаимодействия оцениваются мерой и числом. Отсюда — тесная связь экологии с математикой. Получение фактических данных (оценок) имеет конечной целью выявление тенденций в процессах с дальнейшим прогнозированием последовательных состояний, изменений и их последствий. Эти процессы и закономерности могут быть представлены в формализованном виде (уравнения регрессии, графики и т. п.), что позволяет установить связи, например, между динамикой численности живых организмов и динамикой тех или иных условий окружающей среды, а также прогнозировать соответствующие процессы. Одним из наиболее эффективных приемов исследования подобных взаимосвязей является дисперсионный анализ. Широко используется также математическое моделирование и прогнозирование процессов и явлений в природе — от динамики численности хозяйственно значимых организмов (например, беспозвоночных — вредителей сельского и лесного хозяйства) до закономерностей переноса вредных примесей в водной и воздушной средах. Последнее особенно важно для расчетов нормативов сбросов и выбросов предприятий и управления качеством окружающей среды. В настоящее время для этих целей широко используется вычислительная техника (машинное моделирование и прогнозирование). Химические науки. В основе жизни находится обмен веществ между организмами и средой, заключающийся в ассимиляции, метаболизме и диссимиляции вещества. Все это — химические процессы. Обмен веществом, про* 20
исходящий на уровне индивидуума, в конечном счете формирует более сложные и разнонаправленные процессы на уровне экологических систем и биосферы в целом, которые образуют процессы круговоротов вещества, именуемые биогеохимическими циклами. К настоящему времени сформировались специфические области науки о Земле: химия воды, химия почв, химия атмосферы. Поскольку человек активно вмешивается в метаболизм вещества на планете, добывая, перерабатывая и рассеивая в природе огромные количества вещества (в частности, полезных ископаемых), химические характеристики природных сред коренным образом изменяются. Например, в результате использования человеком природных ресурсов возник особый круговорот вещества — антропогенный, который называют ресурсным циклом. Он является частью естественно происходящих биогеохимических циклов. К настоящему времени сформировалось новое направление в химической науке — химия окружающей среды, в основе которой находятся классические разделы общей химии, органической и неорганической, физической и коллоидной и др. Выше уже было сказано о химии живых организмов, или биохимии. Подчеркнем, что в основе современного учения о биосфере лежат представления крупнейшего специалиста в области геохимии — В. И. Вернадского. Физика. Закономерности биологических процессов преобразования веществ в пищевых цепях, в водной и воздушной среде подчиняются фундаментальным законам физики — закону сохранения массы и второму началу термодинамики. Географические науки. Разные участки поверхности и глубин нашей планеты различным образом заселены и освоены жизнью. Экосистемы полярной, умеренной и тропической зон совершенно не похожи друг на друга, заселены различными организмами, относящимися к совершенно разным жизненным формам. Восприимчивость природных систем различных географических зон (как водных, так и наземных) к антропогенным воздействиям неодинакова. Это необходимо учитывать в организации природопользования. Поэтому экология тесно связана с географией. Самостоятельно развиваются такие области географии, как ботаническая и зоологическая география. Сформировался специфический раздел экологии — экология географическая, которую иначе называют геоэкологией или ландшафтной экологией. Медицина. Ухудшение качества окружающей среды в результате тех или иных природных процессов или из-за антропогенных преобразований природы в общем случае означает отклонение конкретных условий от физиологических требований «организма. Реакцией организма на такие отклонения является заболевание, а в ряде случаев — гибель. Выявление причин заболеваемости, лечение, устранение причин, вызвавших болезнь, — задача медицины. Врач у постели больного по сути дела решает задачи, близкие к экологическим: он исследует состояние организма, симптомы заболевания, выявляет условия (факторы), которые вызвали ту или иную патологию, дает рекомендации к устранению этих факторов и назначает (прописывает) те факторы, которые могут вылечить больного (например, лекарства, физиотерапевтические средства и т. п.) Поскольку «безотходных» производств не бывает и содержащиеся в отходах вредные вещества так или иначе могут оказаться в окружающей человека среде, качество последней ухудшается. Поэтому необходимо знать, какие последствия для организма эти вещества могут вызвать, в каких концентрациях и дозах они еще безвредны или уже опасны, какое содержание загрязняющих веществ можно допустить в окружающей среде или в организме, чтобы они были безвредны Установление таких концентраций и доз (санитарно-гигиеническое нормирование) — задача медицины, а соответствующая область науки получила название санитарной охраны окружающей среды. Воздействовать на организм могут не только вредные химические вещества или опасные химические явления, но и множество живых организмов (бактерии, грибы, риккетсии и др). Они также являются элементами 21
окружающей среды, и защитой человека от них также занимается медицина. Охрана труда и техника безопасности. Наряду с существовавшими всегда природными системами человек создал свои — антропогенные — системы в виде городов и иных населенных пунктов, предприятий с концентрацией на ограниченных территориях масс вещества, источников энергии. Основная часть жизнедеятельности человека проходит в условиях таких систем. Но здесь создаются экстремальные режимы многих условий: температур, давления, шума, вибрации, радиации, электромагнитных полей, а также высокие содержания в воздухе, воде, почве, пище загрязняющих веществ. Эти условия рассматриваются в качестве вредных или опасных производственных факторов, ибо они чреваты угрозой жизни и здоровью людей. В ряде случаев они связаны с аварийными ситуациями, которые могут приводить к крупным экологическим катастрофам с тысячами жертв. Поэтому и появилась специфическая область науки и практической деятельности, которая называется охраной труда. Понятно, что это словосочетание неточное: «охранять» труд невозможно, а имеется в виду обеспечение безопасности человека в условиях действия вредных производственных факторов. В настоящее время охрана труда, техника безопасности, охрана природы, а также гражданская оборона образовали новую научную дисциплину и систему мероприятий, которая названа безопасностью жизнедеятельности. В сфере этой отрасли знаний находятся и своеобразные взаимоотношения человека и машины (оборудования, механизмов, устройств и т. п.), которая также является элементом окружающей его среды. Это направление получило название эргономики. Однако очевидно, что в основе всех этих направлений лежат общие принципы взаимодействия человека и окружающей его среды, то есть все то, что является предметом экологии, составляющей научную базу безопасности жизнедеятельности. Обеспечение безопасности Человека в условиях повышенной угрозы его здоровью и жизни достигается нормированием содержания загрязняющих веществ и значений физических параметров, установлением определенных стереотипов поведения в цехах предприятий, соответствующим обучением. На транспортных магистралях вводятся правила дорожного движения, поскольку автомобиль является источником повышенной опасности. В связи с угрозой аварий на производстве возникла так называемая концепция риска, суть которой в том, что вероятность аварии можно статистически обосновать для условий конкретного производства, исходя из состояния экономики, уровня техники, специфики эксплуатации оборудования. С точки зрения экологии аварии, как правило, ведут к скачкообразному возрастанию уровней многих условий окружающей среды (например, давления, температуры, освещения), режим которых выходит далеко за пределы устойчивости человека. Поэтому частью системы безопасной жизнедеятельности является прогнозирование, предотвращение аварий, своевременное оповещение населения и меры по его защите. Экономика. Э. Геккель называл экологию наукой об экономии, т. е. экономике природы. Экономика (от греч. - ойкос - дом, жилище, номос - закон) - это наука о законах управления хозяйством. Для того чтобы в условиях производства обеспечить требуемое человеку качество окружающей среды, соблюсти нормативы загрязнения в местах проживания людей, вести контроль содержания загрязняющих веществ, необходима система инженерных и организационных мероприятий. Но такая система требует затрат, практически не меньших, чем затраты на основное производство продукции. Однако требования экономики, направленные в первую очередь на достижение рентабельности предприятия, ограничивают возможности вложений в охрану природы, которые быстрой отдачи не дают. А отказ от таких вложений ведет к ухудшению качества среды со всеми отрицательными последствиями. Предприятие обычно имеет выбор: обеспечить качество среды можно путем установки очистных сооружений перед выбросом и сбросом вредных веществ 22
или изменения технологий, оборудования, проведения политики ресурсосбережения, а иногда и отказа от особо опасных производств. Выбору оптимального для данного предприятия варианта и служит экономика. Можно сформулировать общее правило: качество окружающей среды в любом государстве адекватно состоянию его экономики. В настоящее время стало очевидным, что пренебрежение экологическими требованиями ради быстрой экономической выгоды приводит к тяжелым последствиям для людей, возрастанию сложностей в использовании природных ресурсов, т. е. в конечном счете опять-таки невосполнимым экономическим потерям. Все эти вопросы являются ныне предметом нового направления экономической науки — экономики природопользования. Правоведение. В процессе природопользования между гражданами, отраслями промышленности возникают определенные, в ряде случаев противоречивые взаимоотношения. Деятельность одних отраслей хозяйства может наносить ущерб другим отраслям и обществу в целом. Поэтому необходимо правовое обеспечение природопользования, подчинение промышленной и хозяйственной, индивидуальной и общественной деятельности правовым нормам— законам, правилам, постановлениям, инструкциям. Все это является сферой экологического пр а и л м основе которого лежит Конституция Российской Федерации: статья 42 провозглашает право граждан на благоприятную окружающую среду Для успешного функционировании системы правовой охраны окружающей среды специалисты экологи и природопользователи должны знать правовой механизм управления природопользованием, а юристы — владеть знаниями в области общей экологии и охраны окружающей среды. 1.3. ЭКОЛОГИЯ И ИНЖЕНЕРНАЯ ОХРАНА ПРИРОДЫ Понятия Теперь,-зная, что такое экология и каковы ее и определения главные задачи, необходимо установить ее связь с управлением качеством окружающей среды и рассмотреть, каким образом экология способствует решению задач сохранения высокого качества окружающей среды. В последние годы получили распространение такие словосочетания как «инженерная экология», «промышленная экология», «техническая экология» и др. Под инженерной экологией, например, понимают систему инженерно-технических мероприятий, направленных на сохранение качества среды в условиях растущего промышленного производства. Под промышленной экологией понимают раздел «большой» экологии, рассматривающий воздействие промышленности (иногда — всего хозяйства)—от отдельных предприятий до техносферы — на природу и, наоборот, — влияние условий природной среды на функционирование предприятий и их комплексов*. Фактически, однако, существуют две группы задач: экологические и инженерные, причем первые могут решаться с помощью вторых. Таким образом, речь идет не о каких-то новых направлениях экологии — биологической науки, а об инженерной защите окружающей среды. Отсюда понят- * Реймерс Н. Ф. Природопользование. Словарь-справочник. М,: Мысль, 1990. С. 595. 23
но, что решение экологических задач (поддержание высокого качества среды) инженерными методами возможно лишь при владении специалистом производства знаниями в области экологии, позволяющими ему оценивать свое производство с экологических позиций, т. е. обладать экологическим мышлением. В конечном счете это знание и это мышление образуют своего рода «сдерживающий комплекс» природопользователя: владея ими, специалист определяет не только (и не столько), что и как делать, но чего и почему делать нельзя. Понятие «природа» имеет следующее определение: «Природа — это окружающий нас мир во всем бесконечном многообразии своих проявлений» *. Другое определение гласит, что «природа — это весь материально-энергетический и информационный мир Вселенной (универсум Вселенной) **. Очевидно, что, согласно этим определениям, к природе относятся все живые организмы (включая человека), все неживые компоненты окружающей нас среды, включая космические факторы, литосферу, гидросферу, атмосферу, а также человеческое общество с его производством как естественный и закономерный этап эволюции живой материи. Известно также понятие «вторая природа», под которой понимают совокупность вещей и явлений, не существующих в природе в готовом виде, а создаваемых в процессе общественного производства. Имеется в виду, что все созданное руками человека— от каравая хлеба и авторучки до радиоприемника и космического корабля — это также природа или, точнее, природные ресурсы, преобразованные человеком сообразно его нуждам. Как же сочетаются все эти понятия со словом «охрана»? Охрана — это защита, предотвращение чего-либо от разрушения или расхищения. Охрана природы исторически развивалась как система ограничительно-запретных мероприятий, направленных на сохранение преимущественно отдельных объектов (ландшафтов, памятников природы, редких растений и животных и т. п.), сокращение использования отдельных ресурсов. Понятно, что в современных условиях такое направление имеет весьма ограниченное значение, поскольку всю планету в заповедник превратить нельзя. Существование общества без природопользования невозможно, и принцип невмешательства в природную среду со стороны общества нереален. Поэтому в словосочетание «охрана природы» вкладывается сейчас более широкий, причем двоякий смысл. Во-первых, охрана природы — комплексная научная дисцип- * Философский словарь. М.: Изд-во полит, литературы, 1975. С. 329. ** Реймерс Я. Ф., Яблоков А В. Словарь терминов и понятий, связанных с охраной живой природы. М.: Наука, 1982. С. 96. 24
лина, разрабатывающая общие принципы и методы сохранения и восстановления природных ресурсов, включая охрану земель, вод, атмосферы, природных комплексов, растительного и животного мира. Во-вторых, охрана природы — это система мер, направленных на поддержание рационального взаимодействия между деятельностью человека и окружающей природной средой, обеспечивающая сохранение и восстановление природных ресурсов, предупреждающая прямое или косвенное влияние результатов деятельности общества на природную среду и здоровье человека (ГОСТ 17.00.01—76). Очевидно, что в последнем определении определяющая часть шире, чем определяемая: в нем фигурируют слова «окружающая природная среда». Слово «природа» относится более к естественному миру, в то время как «окружающая среда» подразумевает не только естественный, но и созданный или преобразованный человеком мир: к ней относятся рукотворные ландшафты, селитебные территории, промышленные комплексы. Поэтому наряду с понятием «охрана природы» чаще употребляется теперь другое — «охрана окружающей среды». Окружающая среда — совокупность биотической, абиотической и социальной сред, совместно оказывающих влияние на людей и их хозяйство *, или, в более широком смысле, — при~ родный и созданный человеком материальный мир, который окружает человеческое общество, воздействует на него и в котором человек как общественное существо удовлетворяет свои потребности, в свою очередь воздействуя на него и преобразуя его**. Соответственно этому словосочетание «охрана окружающей среды» определяется как охрана природной среды, окружающей человека, т. е. комплекс международных, государственных и региональных, административно-хозяйственных, политических и общественных мероприятий по обеспечению физических, химических и биологических параметров функционирования природных систем в пределах, необходимых с точки зрения здоровья и благосостояния человека3*. Здоровье и благосостояние человека связана Экология и с преобразованием окружающей среды в про- зовани^П°ЛЬ" цессе эксплуатации природных ресурсов. Поэтому в современных нормативных документах отр&жено единство природопользования и охраны природы, т. е. даже в их названиях говорится об «охране природы /и рациональном использовании природных ресурсов». * Реймерс Н. Ф., Яблоков А. А. Указ. работа. С. 11. ** Лацко Р. Экономические проблемы окружающей среды. М.: Прогресс, 1979. С. 28. 3* Реймерс Н. Ф., Яблоков А. А. Указ, работа. С. 84. 25
Только на основе рационализации производственных процессов и экологически корректного пользования природными системами можно одновременно решить обе задачи: обеспечить в историческом будущем неисчерпаемость природных ресурсов и сохранить возможность экологически безопасного развития дальнейших поколений людей *. Таким образом, рациональное природопользование в современных условиях — это такая система хозяйственной деятельности общества, при которой достигается неисчерпаемость его энергетической и сырьевой базы в сочетании с сохранением параметров среды обитания, необходимых человеку как биологическому виду и разумному социальному существу. В процессе использования природы и ее ресурсов человек неизбежно меняет окружающую его среду, причем эти изменения могут иметь как целенаправленный, так и непреднамеренный характер с негативными последствиями в ближайшем или относительно (в пределах поколения людей) отдаленном будущем. Человек стремится улучшить условия своего обитания, повысить благосостояние, увеличить производство необходимых промышленных и сельскохозяйственных товаров, но при этом некоторая часть занимаемого обществом пространства утрачивается— становится непригодной для обитания. Любые процессы, связанные с производством, характеризуются не только преобразованием ресурсов и получением нужных веществ, но и образованием побочных продуктов, которые и называют отходами, поскольку их непосредственная повторная утилизация по тем или иным причинам невозможна или затруднена. Эти побочные продукты в очень многих случаях чужды природной среде и биохимическим процессам, т. е. являются ксенобиотиками (от греч. ксенос — чужой). Эволюция жизни происходила в отсутствие этих веществ или при ничтожно малых их количествах в воздухе, воде, почве. До появления металлургии в природе практически не было свободных металлов и ряда их солей. В результате развития химической промышленности созданы совершенно новые комбинации элементов в виде спецхладагентов, органических и неорганических пестицидов (ядохимикатов), детергентов (моющих средств) и др. Многие вещества не. являются ксенобиотиками, но резкое увеличение их содержания в природной среде по сравнению с начальным содержанием может вести к изменениям качества среды на глобальном уровне (многие пыли, диоксид углерода, оксиды азота, фреоны и т. п.). * Разумеется, понятие «ресурсы» надо толковать* расширительно: например, проблема состоит не в том, на сколько лет хватит угля или нефти, а в том, какова будет энергообеспеченность общества, неважно, за счет каких источников, лишь бы они были экологически безопасны. 26
Биохимические процессы: ассимиляция, метаболизм, диссимиляция вещества организмом — эволюционно детерминированы, их режимы устанавливались в течение тысячелетий. Если в «химическую лабораторию» растительной или животной клетки попадают ксенобиотики, то метаболизм нарушается с резкими отрицательными последствиями для организма в самых разнообразных формах — на соматическом уровне (например, злокачественные новообразования и профессиональные заболевания), на уровне генно-хромосомного аппарата (мутации, проявляющиеся у потомков), а в ряде случаев среда просто оказывается несовместимой с организмом, и последний обречен на медленное или быстрое умирание. Изменения окружающей среды связаны не только с выбросами и сбросами вредных веществ, но и с изменениями режимов физических факторов, особенно в условиях производства и при направленном преобразовании ландшафтов (создание городов, промышленных комплексов, карьеров, водохранилищ,, вырубка лесов и т. п.). Результатом являются климатические изменения на больших территориях, эрозия почв, «наведенные» землетрясения, появление «рукотворных» пустынь. Локальные изменения качества окружающей среды могут перерастать в глобальные и принимать форму кризисных экологических ситуаций. Можем ли мы, пользуясь природой, в то же время сохранить ее качество для себя и последующих поколений? Этот вопрос имеет однозначно положительный ответ: можем. Эксплуатация природных ресурсов и природных систем, преобразование обществом окружающей его среды могут (а значит — должны) не выводить ее параметры за пределы экологически^ требований человека. Но для этого нужно выполнить ряд условий. Обратимся к рис. 1.2. Верхняя ,часть схемы показывает, что разные отрасли деятельности (левый блок) порождают возможные негативные последствия для окружающей среды вследствие преобразования природных систем и поступления в них отходов (средний блок). Эти процессы и сопровождаются разными негативными последствиями — от снижения продуктивности сельскохозяйственных культур до ухудшения здоровья населения (правый блок). Три нижних блока отражают пути управления природопользованием с целью решения возникающих проблем. В левом нижнем блоке показаны некоторые возможные напрарления деятельности, с помощью которых можно преодолеть или компенсировать негативные последствия, т. е. решить экологические задачи. Разумеется, проще всего добиться этого за счет сокращения потребления ресурсов, но этот путь явно не оптимален. Опыт природопользования во всем мире показывает, что избежать экологического ущерба можно на основе прогрессивных 27
ИСТОЧНИКИ НЕГАТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ Промышленные производства Транспорт Добыча и заготовка ресурсов Энергетика Животноводство Бытовое хозяйство Химизация сельского хозяйства ЗАДАЧИ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ В ПРИРОДООХРАННОМ АСПЕКТЕ Совершенствование технологических процессов Ресу рсосбережен ие Оптимизация стратегии Нормирование и ограничение загрязнения окружающей среды Обеспечение штатной работы оборудования ФОРМЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СРЕДУ ОБИТАНИЯ Внесение в природную среду загрязняющих веществ .Преобразование и разрушение природных систем СРЕДСТВА РЕШЕНИЯ И ДОСТИЖЕНИЯ ЦЕЛЕЙ ЗАДАЧ Очистка сточных вод и пылегазовых выбросов Использование альтернативных источников энергии Трансформация отходов во вторичные материальные ресурсы (ресурсосбережение) Заповедно-заказное дело Экономическое управление природопользованием Правовые механизмы ОСНОВНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ Изменение химии окружающей среды Снижение продуктивности экологических систем, угроза голода Рост дефицита природных ресурсов Ущерб здоровью населения Утрата генетического фонда ОСНОВНЫЕ ДОСТИГАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Высокое или достаточное качество среды обитания Сохранение природных ресурсов для текущего и будущих поколений Сохранение и повышение продуктивности сельскохозяйственного и лесного производства Сохранение генетического фонда биосферы Рис. 1.2. Алгоритм решения природоохранных задач на основе инженерных и организационных мероприятий
инженерно-технических методов (нижний средний блок): барьеров между производством и природной средой в виде очистных сооружений, бессточных технологических процессов, ресурсосбережения, утилизации отходов в качестве вторичных материальных ресурсов, а также с помощью экономических и правовых рычагов. Известно высказывание Д. И. Менделеева, что в химии нет отходов, а есть неиспользованное сырье. Известен также американский афоризм о том, что загрязнение среды — это природные ресурсы, оказавшиеся не на своем месте. Таким образом, на основе грамотного управления природопользованием и ресурсосбережением (нижний левый блок) можно решать одновременно две задачи: ресурсную (обеспечение их неисчерпаемости) и экологическую (сохранение качества среды). Очевидно, что эти задачи решаются в основном инженерно-техническими и организационными методами. Задачи специалиста любого производства с точки зрения экологии могут быть сформулированы следующим образом: 1. Оптимизация технологических, инженерных и проектно- конструкторских решений исходя из минимизации ущерба окружающей среде и здоровью человека. 2. Прогнозирование и оценка возможных негативных последствий для окружающей среды, человека, других животных, растительного мира со стороны любых акций в области природопользования. 3. Выявление, корректирование и предотвращение любых действий, технологий заготовки, транспорта, переработки ресурсов, которые могут нанести ущерб окружающей среде и здоровью (принцип «чего не делать, чтобы не причинить вреда»). Итак, окончательный вывод состоит в том, что охранять природу — значит правильно ею пользоваться, т. е. не доводить до необходимости охраны. Но для того чтобы правильно пользоваться природой, не нанося ущерба ни ей самой, ни человеку как части природы, необходимо знать, как она организована, по каким законам существует. Ответы на эти вопросы и дают профессиональные знания в области экологии.
Глава 2. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОЛОГИИ 2.1. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ И ЕЕ ЭВОЛЮЦИИ Состав Согласно воззрениям основоположника совре- и структура менного учения о биосфере — выдающегося рус- иоссреры ского геохимика Владимира Ивановича Вернадского A868—1945), с момента возникновения жизни на нашей планете (ориентировочно 3,4—4,0 млрд лет назад) происходил процесс длительного формирования определенного единства живой и косной материи, т. е. биосферы (от греч. биос— жизнь, сфера — шар). Биосфера — это наружная оболочка Земли, область распространения жизни, которая включает все живые организмы и все элементы неживой природы, образующие среду обитания живых. Согласно В. И. Вернадскому, жизнь подчиняет себе другие планетарные процессы, определяет химическое состояние наружной коры нашей планеты. Живые организмы, существующие, стареющие и умирающие в течение сотен миллионов лет, порождают всеобщий планетарный процесс — миграцию химических элементов, движение земных атомов. Живое вещество рассматривается В. И. Вернадским в качестве носителя свободной энергии в биосфере. Биосфера (рис. 2.1) включает нижнюю часть атмосферы (аэробиосферу), всю гидросферу (гидробиосферу)—океаны, моря, поверхностные воды суши, террабиосферу — поверхность самой суши, а также литосферу (литобиосферу) — верхние горизонты твердой земной оболочки. В пределах биосферы выделяют две категории слоев: собственно биосферу, где живое вещество локализовано постоянно (эубиосфера), а также расположенные выше (парабиосфера) и ниже ее (метабиосфера). В эти слои живые организмы могут попадать лишь случайно. Общая протяженность эубиосферы по вертикали—12—17 км, хотя у разных авторов эти оценки несколько варьируют. Верхней границей биосферы (включая парабиосферу) является так называемый озоновый экран (или слой). Озоновый экран (озоносфера)—это слой атмосферы в пределах стратосферы, расположенный на разной высоте от поверхности Земли и имеющий наибольшую плотность (концентрацию молекул) озона на высоте 22—26 км. Высота озонового слоя у полюсов оценивается в 7—8 км, у экватора—17—18 км, а максимальная высота присутствия озона — 45—50 км. Выше озонового экрана существование 30
1 100000 60000 30000 i 3 10000 8000 6000 Ш0 2000 -10 -100 -200 -1000 -3000 -10000 Эберест Ионосфера Меэоссрера Озонобыи „ экран " Тропоссрера -Граница распространения жиВотноюс Граница распространения Высших растений 8 6 iЛеса, луга биогеосфера („пленка жиэь 13 HU \ ЭВсротическая зона Афотическая зона — Нефтянсне Воды — >< - (присутстбие бактерии) Филиппинская I впадина -10830 Рис. 2.1. Строение биосферы
жизни без специальной защиты невозможно из-за жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Метабиосфера не опускается ниже 10—15 км, а нижней границей эубиосферы считаются донные отложения океана и верхние горизонты литосферы, подвергающиеся ныне (или подвергавшиеся в прошлом) воздействию живых организмов. К биосфере, например, относятся некоторые полезные ископаемые, в частности каменный уголь — продукт фотосинтеза растений в прошлые геологические эпохи. С учетом протяженности всех названных слоев по вертикали общая мощность биосферы оценивается в 33—35 км. Биотические компоненты биосферы включают растения (фитосфера), животных (зоосфера) и микроорганизмы (мйкро- босфера). К биосфере относится человеческое общество. Более 99 % всего вещества в верхних слоях литосферы (в литобиосфере) трансформировано живыми организмами. Понятно, что для осуществления подобной работы организмы должны обладать значительной энергией и биомассой, суммарная величина которой оценивается примерно в 4,4-1012 т, причем биомасса обитателей океана @,0032-1012 т) значительно меньше, чем биомасса обитателей суши D,42-1012 т). Существуют и иные оценки. Например, Н. Ф. Реймерс A990) называет биомассу живых организмов материковых систем 1,8-1012 т? а морских—1,0 -109 т. Понятие биосферы как сферы обитания живых организмов или сферы, занятой жизнью, было предложено в 1875 г. австрийским ученым Э. Зюссом. Позднее В. И. Вернадский: подошел к биосфере как к планетной среде, в которой распространено живое вещество. В отличие от ряда ученых;, которые рассматривали биосферу только как совокупность живых организмов и продуктов их жизнедеятельности, В. И. Вернадский считал, что живое вещество (в биохимическом понимании) не может быть, оторвано от биосферы, функцией которой оно является. Кроме того, биосфера есть область превращения космической энергии, ибо космические излучения, идущие от небесных тел, охватывают биосферу, проникают сквозь всю нее и все в ней. Таким образом, согласно В. И. Вернадскому, биосфера есть «планетное явление космического характера»*. Живое вещество рассматривается как особое проявление , термодинамических, физических и химических условий планеты, способное организовать их таким образом, чтобы иметь максимальную во времени и пространстве устойчивость своей структуры. Иначе говоря, биосфера — это геологическая земная оболочка, не только охваченная жизнью, но и структурно ею орга- * Вернадский В. Я. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М.: Наука, J965. С. 324. 32
низованная. При этом биосфера как планетная система входит в более крупную надсистему Земли, обладающую единством взаимодействия земных и космических процессов *. Таким образом, важнейшими особенностями биосферы являются ее организованность и устойчивое динамическое равновесие. Организованность означает, что биосфера — не хаос разрозненных составляющих, а некоторое единое и связное целое. Например, можно говорить о термодинамическом уровне организованности биосферы, выражающемся в наличии двух взаимосвязанных «слоев»: верхнем, освещенном (фотобиосфера), где существуют фотосинтезирующие организмы, и нижнем, почвенном (афотобиосфера), где расположена зона подземной жизни. Термодинамический уровень организованности биосферы проявляется в специфике градиентов температуры в гидросфере, атмосфере и литосфере. Выделяют также физический, или агрегатный, уровень организованности, т. е. наличие разных фазовых состояний вещества (твердого, жидкого, газообразного), одновременно характеризующих и его разное химическое состояние. На химическом уровне организованности гидросферы, атмосферы и литосферы эти сферы рассматриваются как сложные химические тела, имеющие свою горизонтальную, вертикальную (пространственную), а так^ке временную структуру**. Происхождение Первым этапом эволюции биосферы было возникновение и эволюция жизни из неживой материи. Этому предшествовало обра- биосферы зование простых органических соединений из метана, аммиака, водорода в условиях высоких температур, повышенной вулканической деятельности, солнечного излучения. Первый этап возникновения жизни рассматривается как этап химической эволюции (рис. 2.2). Первыми органическими соединениями были аминокислоты, образовавшиеся в первичном океаническом «бульоне» в результате взаимодействия циановодорода (HCN) и альдегидов в присутствии аммиака. Заметим, что, по некоторым данным, аминокислоты могут синтезироваться и в газовой фазе. Одновременно происходило образование простых Сахаров (рибозы, дезоксирибозы). Тем самым в водной среде образовывались основные компоненты нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). В частности, из циановодорода (нитрила), которым, как считают, была обогащена первичная атмосфера, могли возникнуть, по крайней мере два из четырех оснований нуклеиновых кислот: аде- нин и гуанин. Например, эмпирическую формулу молекулы аденина (C5H5N5) можно представить в виде пяти объединенных молекул циановодорода. Рибоза и дезоксирибоза в сочетании с основаниями нуклеиновых кислот (аденин, гуанин, цитозин, тимин) образовывали нуклеозиды, а последние, в свою очередь, в сочетании с фосфатами — нуклеотиды — простейшие составляющие нуклеиновых кислот. * Шипунов Ф. Я. Организованность биосферы. М.: Наука, 1980. С. 16-19. ** Там же. С. 20—30. 33
Ультрафиолетовое излучение Солнца Атмосферные газы Угле$одш,г?тзрои,икаичес!ше основания, аминокислоты а другие простейшие углеродсодёржаш,ие молекулы Рис. 2.2. Схема образования простейших органических соединений из газов первичной атмосферы под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца По М. М. Камшилову, 1974 Следующий этап химической эволюции — полимеризация «малых» молекул в более крупные, т, е. образование собственно нуклеиновых кислот и белков. При объединении отдельных молекул аминокислот происходит выделение воды (дегидратация). Полагают, однако, что процесс преобразования нуклеозидов в нуклеотиды происходил уже не в водной среде, а в пересыхающих морских лагунах, в условиях илистого дна которых и осуществлялась дегидратация под воздействием солнечного излучения. Существуют и другие гипотезы, объясняющие этот механизм (например, гипотеза об адсорбировании нитрилов поверхностью глинистых частиц с последующим образованием характерных для белковых молекул карбоксильных групп). Однако все эти процессы не были жизнью в полном смысле этого слова. Собственно биологическая эволюция началась е образования клеток а далее — одноклеточных организмов. До настоящего времени широко распространена гипотеза А. Н. Опарина об образовании в толще воды более или менее устойчивых полужидких (коллоидных) сгущений — коацерватов (от лат. коацерватус — собранный), которые имели некоторую границу раздела с окружающим менее концентрированным «бульоном». Коацерваты могли разрушаться, создаваться вновь, а по достижении определенного размера распадаться на дочерние образования, т. е. делиться. Отдельные капли могли образовывать группы (колонии). В итоге произошел качественный скачок: сохранялись лишь те капли, которые сохраняли материнские признаки и приобрели способность к воспроизводству. Важно и то, что эти капли приобрели способность избирательно погло- 34
щать эещества из окружающего раствора и избавляться от ненужных соединений. Это стало началом обмена веществ и в дальнейшей привело к функциональной специализации отдельных частей коацерватов. С этого начался биотический круговорот вещества. Считается, что с возникновением самовоспроизводства коацерватная капля превратилась в простейшее живое образование, т. е. в одноклеточный организм. Коацерватная гипотеза —не единственная из существующих ныне. Другая гипотеза состоит в том, что при наличии на поверхности морей и океанов липидной пленки и углеводородов от воды могли под воздействием ветра и волн отделяться небольшие двухфазные пузырьки, содержавшие органическое вещество. В целом же законченной теории происхождения живых организмов из предбиологических химических структур пока нет. Первые остатки жизни найдены^вслоях^^штосферы. образовавшихся о^юло!1Дбдрд-^т?т. ^ад^пгагэ^фр^^ усложнение жизни связано с развитием многоклеточности. Одна из гипотез о ее происхождении — колониальная. Полагают, что колонна льность возникла в результате не вполне законченного бесполого размножения: клетка разделилась, но дочерние образования не разошлись. В их химическом составе появились различия, повлекшие за собой функциональную специализацию: одни клеткйч обеспечивали ассимиляцию, другие — выделение, третьи — подвижность, четвертые — воспроизводство и т. д. Проникновение жизни в разные области Земли с разными физико-химическими условиями, в частности выход организмов' из воды на сушу, потребовали приспособления (адаптации) к новым, более динамичным условиям, что, в свою очередь, было связано с избирательным отпадом части организмов, появлением процессов естествр^»^гп ртйпра.— Из 6 эр и 17 периодов общей продолжительностью около 3,5 млрд лет лишь небольшой отрезок времени (около 1 млн лет) отделяет нас от начала последнего периода кайнозойской эры -- а н т р о п о г eju^ Человеческое общества — один .-ш ттгк п^авэ^дыш^м^зжад6^и^и а№е^нХ?а^д1^^ , & общество превратилось в мощную природную б ^у рр у рру силу, целенаправленно и необратимо преобразующую окружающую среду, включая теперь и космическое пространство, возникает вопрос, как далее будут развиваться человечество и биосфера. Биосфера является единственным ^местом обитания человека и других живых организмов, причем из построений В. И. Вернадского и ряда других ученых следует закон незаменимости биосферы. Биосфера — это единственная система, обеспечивающая устойчивость среды обитания при любых возникающих возмущениях. Нет никаких оснований надеяться на построение искусственных сообществ, обеспечивающих стабилизацию окружающей среды в той же степени, что и естественные сообщества *. Из этого закона следует, что конечная задача так называемой охраны природы — это сохранение биосферы как естественного и единственного места обитания человеческого общества. * Горшков В. Г. Энергетика биосферы и устойчивость состояния окружающей среды//Итоги науки и техники. Серия «Теоретические и общие вопросы географии». М.: ВИНИТИ, 1990, т. 7. 338 с. 3* 35
Современные философские концепции сводятся к тому, что процесс взаимодействия общества и биосферы должен быть управляем во взаимных интересах, с тем чтобы неизбежный научно-технический прогресс не привел к деградации биосферы как среды обитания общества. В отличие от биогенеза, данный этап эволюции биосферы рассматризают в качестве этапа разумного развития, т. е. ноогенеза (от греч. ноос — разум). Соответственно происходит постепенное превращение биосферы в ноосферу. Понятие «ноосфера» введено в прошлом веке французским ученым Ле Руа и развито далее Тейяр де Шарде- ном A881—1955) *. Под этим термином они понимали особую оболочку Земли, включающую общество с индустрией, языком, хозяйственной деятельностью, религией и всеми иными атрибутами. Ноосфера рассматривалась в качестве некоего «мыслящего пласта», разворачивающегося над биосферой, вне ее. В. И. Вернадский считал, что ноосфера — это новое геологическое явление на Земле. В ней впервые человек становится мощной геологической силой. Но мыслить и действовать человек, как и все живое, может только в области распространения жизни, т. е. в биосфере, с которой он неразрывно связан и из которой не может уйти**. С позиций В. И. Вернадского на данном этапе эволюции жизни развитие пойдет по пути ноогенеза, являющегося этапом разумного регулирования взаимоотношений человека и природы. На этом этапе предстоит не только исправить уже имеющиеся нарушения в природе, отклонения от разумных и целесообразных отношений между обществом и природой, но и предотвращать подобные нарушения и отклонения в будущем. Таким образом, закон ноосферы В. И. Вернадского имеет следующую формулировку: Биосфера неизбежно превратится в ноосферу, т. е. в сферу, где разум человека будет играть доминирующую роль в развитии системы человек — природа. Этот закон справедлив, хотя некоторые современные ученые рассматривают его как социальную утопию. Но совершенно очевидно, что если человечество не начнет регулировать свою численность, управлять собственным воздействием на природу, опираясь на ее законы, то оно обречено на гибель. Поэтому смысл закона ноосферы видится в том, что люди будут управлять не природой, а прежде всего собой3*. * Тейяр де Шарден П. Феномен человека. М.: Наука, 1987. 238 с. ¦* Вернадский В. И. Размышления натуралиста. М.: Наука, 1977. 3* Реймерс Я. Ф. Надежды на выживание человечества. Концептуальная экология. М.: Изд. центр «Россия молодая», 199?. С. 150—151. 36
Понятие об Развитие идеи автотрофности человечества также связано автотрофностк с именем В. И. Вернадского. Ав т о т р о ф н ы м и (от человечества греч. аутос — сам, трофе — питарсь) являются такие организмы, которые способны брать все нужные для их жизнедеятельности химические элементы непосредственно от косной материи и не требуют для построения своего тела готовых органических соединений другого организма. Примером автотрофных организмов являются растения, осуществляющие фотосинтез. В. И. Вернадский высказал идею о том, что, поскольку человеческое общество функционирует и развивается все более и более независимо от других форм жизни, возможно его превращение из гетеротрофной (т. е. питаемой другими) категории в социально автотроф- ную. Таким образом, понятие «автотрофность» в данном случае означает относительную независимость человека от продуктов, создаваемых биосферой. По аналогии с природными автотрофными организмами общество должно поставить между собой и окружающей средой (источником пищи) соответствующие орудия производства, при помощи которых органическим и неорганическим соединениям придается форма, пригодная для потребления. Человек, как живой организм, в силу своих биологических особенностей не может перейти к автотрофной ассимиляции, но общество в целом способно перейти к так называемому автотрофному способу производственной деятельности. Автотрофный способ производства подразумевает закономерный объективный характер замены высокомолекулярных природных соединений (белков, жиров, углеводов) низкомолекулярными — вплоть до химических элементов. Подобный путь позволяет осуществить экологически замкнутую систему производства, при которой использованные продукты в максимально возможной степени окажутся сырьем для других производственных циклов. Иными словами, необходимо производство, способное создавать высокомолекулярные соединения из низкомолекулярных. Разумеется, автотрофность человечества нельзя отождествлять с созданием «технической биосферы», ибо ничто не освобождает человека от его собственной природы. Идея автотрофности, находящаяся пока в стадии осмысления, привлекает внимание в первую очередь тем, что природопользование может быть не связано или минимально связано с нарушением природных условий, т. е. качества окружающей среды. Считается, что именно автотрофный характер производства — одно из условий гармонизации отношений в системе природа — человек при переходе биосферы в ноосферу. Жизнь как В процессе фотосинтеза солнечная энергия термодинамический преобразуется в энергию химических связей процесс созданного (автотрофно) . вещества, которое последовательно переходит от- автотрофов к гетеротрофам — растениеядным, а далее — плотоядным животным. Этот процесс и рассматривается в качестве последовательного упорядоченного потока вещества и энергии. Однако и вещество и энергия в такой пищевой цепи постепенно рассеиваются. Известно, что если температура того или иного тела выше, чем температура окружающей среды, т. е. имеет место некоторый градиент (перепад) температур, то общая температура системы тело — среда стремится к равновесию. Тело будет отдавать энергию до тех пор, пока его температура и температура окружающей среды не сравняются. В конечном счете энергия любого живого тела может быть рассеяна в тепловой форме, после чего наступает состояние термодинамического равновесия и дальнейшие энер- 37
гетические процессы оказываются невозможными. В данном случае «работает» второй закон термодинамики. О такой системе говорят, что она находится в состоянии максимальной энтропии. Энтропия, таким образом, отражает возможности превращения энергии и рассматривается как мера неупорядоченности системы. Если бы поток солнечного излучения, поступающего к Земле, только рассеивался, то жизнь была бы невозможной. Для того чтобы энтропия системы не возрастала, система должна извлекать «упорядоченность организации» откуда-то извне, т. е. непрерывно поддерживать, накапливать ее, как принято говорить, против градиента энергии. Иными словами, организм должен извлечь из окружающей среды отрицательную энтропию, или негэнтропию. Живые организмы способны выполнять работу именно против уравновешивания с окружающей средой за счет образования сложно организованных упорядоченных молекулярных структур. Вполне понятно, что для производства работы, экологическая система должна получать соответствующую энергетическую дотацию. Она и получает ее от Солнца, являясь по существу открытой системой. Живой организм (например, животное) извлекает негэнтропию из растительной или животной пищи, используя упорядоченность ее химических связей. Часть энергии теряется, расходуясь, например, на поддержание жизненных процессов, часть — передается организмам последующих пищевых уровней. Началом всего этого потока является процесс автотрофного питания растений — фотосинтез, при котором происходит повышение упорядоченности деградировавших органических и минеральных веществ. Используя солнечную энергию, растение трансформирует энергию фотона в энергию химических связей органического вещества. Общество радикально изменяет эти процессы, преобразуя биосферу. В связи с этим формулируется закон компенсации энтропии и негэнтропии биосферы. Повышение упорядоченности антропогенных систем биосферы за счет извлечения негэнтропии из природных систем сопровождается повышением неупорядоченности (энтропии) последних. Суть этого закона в следующем. Природные системы, в основе существования которых находятся растения-фотосинтетики и заключённая в продуктах их жизнедеятельности энергия, характеризуются высоким уровнем упорядоченности, сбалансированности происходящих в них энергетических и биологических процессов. Растения могут усвоить строго определенное количество энергии и использовать его для создания определенного количества вещества. Процессы фотосинтеза уравновешиваются процессами дыхания, а избыточное органическое вещество исключается из круговорота и надолго депонируется в виде запаса (например, каменный уголь, донные отложения океана и др.). 38
Антропогенные системы (промышленные и селитебные агломерации, аг- роэкосистемы) не могут стабильно существовать за счет только приходящей ^солнечной энергии и для обеспечения собственной упорядоченности требуют колоссальных энергетических и материальных дотаций извне: сырьевых полезных ископаемых, древесины, запасенных в недрах энергоносителей. Получение этих дотаций возможно только из природных систем биосферы, что ведет к глобальному разрушению последних на огромных территориях: отходы производства вызывают загрязнение среды, оазисы и леса замещаются пустынями, реки и озера пересыхают и жизнь в них прекращается, образуются полностью нарушенные (например, «лунные» — брошенные карьеры) пейзажи. Характерный пример последних лет — Аральское море. Кроме того, любая созданная человеком система так или иначе замещает природную, •формируясь на занятой ею в прошлом территории. В результате нарастает неупорядоченность (энтропия) природных систем, . что ведет к разрушению биосферы в целом, которая, как показано выше, является в принципе незаменимым местом обитания человечества. Возможен случай, когда вся накопленная (аккумулированная) энергия организма или системы полностью превратится в тепловую форму и рассеется. Это произойдет, например, при гибели организма. При этом упорядоченный поток энергии прекращается, химические связи между молекулами разрушаются. Согласно второму закону термодинамики, энергия любой системы стремится к состоянию, называемому термодинамическим равновесием, что равнозначно максимальной энтропии. В такое состояние перейдет и живой организм, если тем или иным путем лишить его возможности извлекать энергию из окружающей среды. То же может произойти, если в сообществе .живых организмов, например в лесу, прервать приход и исключить возможность превращения и аккумуляции энергии, уничтожив ассимиляционный аппарат деревьев загрязняющими воздух веществами. Таким образом, жизнь может рассматриваться как процесс непрерывного извлечения некоторой системой энергии из окружающей среды, преобразования и рассеивания этой энергии при передаче ее по пищевым цепям. 2.2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКТОР Термины В основе взаимодействия организмов и окру- я определения жающей их среды находятся причинно-следственные отношения. Организм получает из окружающей среды информацию в виде определенных сигналов, имеющих материальную природу, и реагирует на эти сигналы. Основоположник кибернетики (науки управления) Норберт Винер определял иформацию следующим образом. Информация — это обозначение содержания (сигналов), полученного из внешнего мира в процессе нашего приспособления к нему и приспособления наших чувств *. * Винер Н. Кибернетика. М.: Наука, 1983. С. 56. 39
При помощи подобных сигналов осуществляется управление жизнедеятельностью организма. Понятно, что процессы пере- дачи, восприятия, переработки информации — количественные процессы. Н. Винер рассматривал количество информации как отрицательную энтропию, или негэнтропию. Окружающая среда как источник поступающей информации— это все тела и явления (природные и антропогенные), с которыми организм находится в прямых или косвенных отношениях. Но данное словосочетание — неопределенное, абстрактное, не имеющее количественных оценок. Поэтому и словосочетания типа «охрана окружающей среды» или «управление качеством окружающей среды» также весьма неконкретны. А процессы управления жизнедеятельностью организмов, природных систем, качеством окружающей среды требуют точного измерения, оценки уровней воздействия и ответных реакций. Иначе говоря, качество окружающей среды, как совокупность определенных параметров, должно оцениваться количественно. Поэтому биология и ее раздел — экология — науки точные, в их основе лежат мера и число. В экологии поступающие к организму сигналы называют факторами. Экологический фактор — это любой элемент окружающей среды, способный оказывать прямое или косвенное воздействие на живой организм хотя бы на одном из этапов его индивидуального развития, или любое условие среды, на которое организм отвечает приспособительными реакциями. В общем случае фактор — это движущая сила какого-либо процесса или влияющее на организм условие. Окружающая среда характеризуется огромным разнообразием экологических факторов, в том числе и пока не известных. Каждый живой организм в течение всей своей жизни находится под воздействием множества экологических факторов, различающихся происхождением, качеством, количеством, временем воздействия, т. е. режимом. Таким образом, окружающая среда — это фактически набор воздействующих на организм экологических факторов. Но если окружающая среда, как мы уже сказали, не имеет количественных характеристик, то каждый отдельный фактор (будь то влажность, температура, давление, белки пищи, количество хищников, химическое соединение в воздухе и т. п.) характеризуется мерой и числом, т. е. его можно измерить во времени и пространстве (в динамике), сравнить с каким-либо эталоном, подвергнуть моделированию, предсказанию (прогнозу) и в конечном счете изменить в заданном направлении. Управлять можно только тем, что имеет меру и число. 40
Для инженера предприятия, экономиста, санитарного врача или следователя прокуратуры требование «охранять окружающую среду» не имеет смысла. А если задача или условие выражены в количественной форме, в виде каких-либо величин или неравенств (например: С* ^ ПДКг или Л1г-^ ПДВг), то они вполне понятны и в практическом, и в юридическом отношении. В приведенных неравенствах С{ означает конкретное измеренное значение содержания некоторого r-го вредного вещества в воздухе или воде, а ПДКг — это аббревиатура слов «предельно допустимая концентрация», соответствующая экспериментально установленной и закрепленной в нормативном документе безопасной для человека концентрации этого же вещества в этой же среде. Изменение знака в неравенстве означает, что качество среды по конкретному фактору не соответствует требованиям человека, а значит, должно быть приведено в соответствие. Таким образом, можно поставить и задачу предприятию, которое загрязняет окружающую среду. Эта задача сформулирована во втором неравенстве, где М{ — это количество (измеренная масса) вредного вещества, выбрасываемого, например, через трубу в единицу времени, г/с, а ПДВг— предельно допустимый выброс, который предприятие имеет право вывести через эту трубу. Задача предприятия — не «охранять природу», а с помощью инженерных или организационных приемов выполнить названное условие, т. е. именно таким путем управлять качеством окружающей среды, чтобы она не представляла угрозы здоровью людей. Обеспечение выполнения этих условий — задача контролирующих служб, а при невыполнении их предприятие несет ответственность. Любая классификация какого-либо множества — Классификация это метод его познания или анализа. Предметы факто^ит*™* и явления можно классифицировать по различным признакам, исходя из поставленных задач. Из многих существующих классификаций экологических факторов для задач данного курса целесообразно использовать следующую (рис. 2.3). Все экологические факторы в общем случае могут быть сгруппированы в две крупных категории: факторы неживой, или косной, природы, называемые иначе абиотическими или абиогенными, и факторы живой природы — биотические, или биогенные. Но по своему происхождению обе группы могут быть как природными, так и антропогенными, т. е. связанными с влиянием человека*. Человек в своей дея- * Иногда различают антропические и антропогенные факторы. К первым относят лишь прямые воздействия человека на природу (загрязнение, промысел, борьбу с вредителями), а ко вторым — преимущественно косвенные последствия, связанные с изменением качества окружающей среды. 41
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ J- КОСНОЙ ПРИРОДЫ (абиотические, абиогенные) ЖИВОЙ ПРИРОДЫ (биотические, биогенные) ПРИРОДНЫЕ АНТРОПОГЕННЫЕ о с ПРИРОДНЫЕ АНТРОПОГЕННЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ (к лиматическ ие, космические, почвенные, орографические) ХИМИЧЕСКИЕ (компоненты воды, воздуха, почвы,1 кислотность, примеси и др.) ЗООГЕННЫЕ (воздействия животных) ФИТОГЕННЫЕ (воздействия растений) МИКРОБОГЕННЫЕ (воздействия микробов) Рис. 2.3. Классификация экологических факторов тельности не только меняет режимы природных экологических факторов, но и создает новые, например, синтезируя новые химические соединения — ядохимикату, удобрения, лекарства, синтетические материалы и др. В числе факторов неживой природы присутствуют физические (космические, климатические, орографические, почвенные) и химические (компоненты воздуха, воды, кислотность и иные химические свойства почвы, примеси промышленного происхождения). К биотическим факторам относятся зоогенные (влияние животных), фитогенные (влияние растений), микробогенные (влияние микроорганизмов). В некоторых классификациях к биотическим факторам относят и все антропогенные факторы, включая физические и химические. Наряду с рассмотренной, существуют и другие классификации экологических факторов. Выделяют факторы, зависимые и независимые от численности и плотности организмов. Например, климатические факторы не зависят от численности животных, растений, а массовые заболевания, вызываемые патогенными микроорганизмами (эпидемии) у животных или растений, 42
безусловно связаны с их численностью: эпидемии возникают при тесном контакте между индивидуумами или при их общем ослаблении из-за нехватки корма, когда возможна быстрая передача болезнетворного начала от одной особи к другой, а также утрачена сопротивляемость к патогену. Макроклимат от численности животных не зависит, а микроклимат может существенно изменяться в результате их жизнедеятельности. Если, например, гусеницы при их высокой численности в лесу уничтожат большую часть хвои или листвы деревьев, то здесь изменится ветровой режим, освещенность, температура, качество и количество корма, что скажется на состоянии последующих поколений тех же или других обитающих здесь животных. Массовые размножения насекомых привлекают насекомых-хищников и насекомоядных птиц. Урожаи плодов и семян влияют на изменение численности мышевидных грызунов, белки и ее хищников, а также многих птиц, питающихся семенами. Можно делить все факторы на регулирующие (управляющие) и регулируемые (управляемые), что также легко понять в связи с приведенными выше примерами. Оригинальную классификацию экологических факторов предложил А. С. Мончадский. Он исходил из представлений о том, что все приспособительные реакции организмов к тем или иным факторам связаны со степенью постоянства их воздействия, или, иначе говоря, с их периодичностью. В частности, он выделял: первичные периодические факторы (те, которым свойственна правильная периодичность, связанная с вращением Земли: смена времен года, суточная и сезонная смена освещенности и температуры); эти факторы изначально присущи нашей планете и зарождающаяся жизнь должна была сразу к ним приспосабливаться; вторичные периодические факторы (они являются производными от первичных); к ним относятся все физические и многие химические факторы, например, влажность, температура, осадки, динамика численности растений и животных, содержание растворенных газов в воде и др.; непериодические факторы, которым не свойственна правильная периодичность (цикличность); таковы, например, факторы, связанные с почвой, или разного рода стихийные явления. Разумеется, «непериодично» лишь само тело почвы, подстилающие ее грунты, а динамика температуры, влажности и многих других свойств почвы также связана с первичными периодическими факторами. Антропогенные факторы однозначно относятся к непериодическим. В числе таких факторов непериодического действия прежде всего — загрязняющие вещества, содержащиеся в промышленных выбросах и сбросах. К природным периодическим и непериодическим факторам живые организмы в процессе эволюции способны вырабатывать адаптации (например, спячка, зимовка и т. п.), а к изменению содержания примесей в воде или воздухе растения и животные, как правило, не могут приобрести и наследственно закрепить соответствующие адаптации. Правда, некоторые беспозвоночные, например растениеядные клещи из класса паукообразных, имеющие в условиях закрытого грунта десятки поколений в году, способны при постоянном применении против них одних и тех же ядохимикатов образовывать устойчивые к яду расы путем отбора особей, наследующих такую устойчивость. 43
Абиотические факторы Космические Биосфера, как среда обитания живых организ- факторы мов> не изолирована от сложных процессов, протекающих в космическом пространстве, причем связанных непосредственно не только с Солнцем. На Землю попадает космическая пыль, метеоритное вещество. Земля периодически сталкивается с астероидами, сближается с кометами. Через Галактику проходят вещества и волны, возникающие в результате вспышек сверхновых звезд. Разумеется, наша планета наиболее тесно связана с процессами, происходящими на Солнце,— с так называемой солнечной активностью. Суть этога явления состоит в превращении энергии, накапливающейся в магнитных полях Солнца, в энергию движения газовых масс, быстрых частиц, коротковолнового электромагнитного излучения*. Наиболее интенсивные процессы наблюдаются в центрах активности, называемых активными областями, в которых наблюдается усиление магнитного поля, возникают области повышенной яркости, а также так называемые солнечные пятна. В активных областях могут происходить взрывоподобные выделения энергии, сопровождающиеся выбросами плазмы, вцезап- ным появлением солнечных космических лучей, усилением коротковолнового и радиоизлучения. Известно, что изменения уровня вспышечной активности имеют циклический характер с рбычным циклом, равным 22 годам, хотя известны колебания периодичностью от 4,3 до 1850 лет. Солнечная активность влияет на ряд жизненных процессов на Земле — от возникновения эпидемий и всплесков рождаемости до крупных климатических преобразований. Это было показано еще в 1915 г. русским ученым А. Л. Чижевским, основателем новой науки — гелиобиологии (от гр. хелиос — Солнце), рассматривающей воздействие изменений активности Солнца на биосферу Земли. Таким образом, к числу важнейших космических факторов относится связанное с солнечной активностью электромагнитное излучение с широким диапазоном длин волн. Влияние тепловой части солнечного спектра будет рассмотрено ниже, а здесь мы отметим лишь тот факт, что поглощение атмосферой Земли коротковолнового излучения приводит к образованию своего рода защитных оболочек, в частности озоносферы. Озон образуется в результате реакции между атомарным (О) и молекулярным (Ог) кислородом именно под воздействием ультрафиолетового излучения. Из других космических факторов следует назвать корпуску- * См. В. Г. Сидякин и др. Космическая экология. Киев: Наук, думка» 1985. 176 с. 44
лярное излучение Солнца. Солнечная корона (верхняя часть, солнечной атмосферы), состоящая в основном из ионизированных атомов водорода с примесью гелия, непрерывно расширяется. Покидая корону, этот поток водородной плазмы распространяется в радиальном направлении и достигает Земли. Его и называют солнечным ветром. Он заполняет всю область солнечной системы и постоянно обтекает Землю, взаимодействуя с ее магнитным полем. Понятно, что это связано с динамикой магнитной активности (например, магнитные бури) и непосредственно сказывается на жизни на Земле. Изменения ионосферы в полярных областях Земли связаны также с солнечными космическими лучами. Это распространяющиеся со скоростью света протоны — ядра атомов водорода, которые вызывают ионизацию. При мощных вспышках солнечной активности воздействие солнечных космических лучей может кратковременно превышать обычный фон галактических космических лучей. В настоящее время наукой накоплено много фактических материалов, иллюстрирующих влияние космических факторов на биосферные процессы. Доказана, в частности, чувствительность беспозвоночных животных к изменениям солнечной активности, установлена корреляция ее вариаций с динамикой нервной и сердечно-сосудистой систем человека, а также с динамикой заболеваний — наследственных, онкологических/инфекционных и др. Абиотическая компонента наземной среды (су- Абиотические ши\ включает совокупность климатических и (Ьактооы о наземной почвенно-грунтовых условии, т. е. множество ди- среды намичных во времени и пространстве элементов, связанных друг с другом и влияющих на живые организмы. Рассмотрим главнейшие климатические факторы. Лучистая энергия Солнца. Энергия солнечного излучения распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Около 99 % ее составляют лучи с длиной волны 170— 4000 нм, в том числе 48 % приходится на видимую часть спектра с длиной волны 400—760 нм, а 45%—на инфракрасную (длина волны от 750 нм до 10~3 м), около 7%—на ультрафиолетовую (длина волны менее 400 нм). В процессах фотосинтеза наиболее важную роль играет фотосинтетически активная радиация C80—710 нм). Количество энергии солнечного излучения, поступающего к Земле (к верхней границе атмосферы), практически постоянно и оценивается значением 21 • 10 18~20 Дж/мин, что соответствует 8,3 Дж/(см2-мин). Эта величина называется солнечной постоянной. Однако приход энергии солнечного излучения к поверхности самой Земли существенно колеблется в зависимости от ряда условий: высоты Солнца над горизонтом, широты, состояния атмосферы и др. Форма Земли (геоид) близка 45
к шарообразной. Поэтому наибольшее количество солнечной энергии поглощается в низких широтах (экваториальный пояс), где температура воздуха у земной поверхности, как правило, вьине, чем в средних и высоких широтах. Приход энергии солнечного излучения в разные районы земного шара и ее перераспределение определяют климатические условия этих районов. Проходя через атмосферу, солнечное излучение рассеивается на молекулах газов, на взвешенных примесях (твердых и жидких), поглощается водяными парами, озоном, диоксидом углерода, пылевидными частицами. Рассеянное солнечное излучение частично доходит до земной поверхности. Его видимая часть создает свет днем при отсутствии прямых солнечных лучей, например при сильной облачности. Общий приход теплоты к поверхности Земли зависит от суммы прямого и рассеянного излучения, которая увеличивается от полюсов к экватору. Так, в полярных широтах приход излучения составляет около 46-105 Дж/год, в тропических — до 116—120-105 Дж/год. Энергия солнечного излучения не только поглощается поверхностью Земли, но и отражается ею в виде потока длинноволнового излучения. Более светло окрашенные поверхности отражают свет более интенсивно, чем темные. Так, чистый снег отражает 80—95%, загрязненный — 40—50, черноземная почва — 5—14, светлый песок — 35—45, полог леса — 10—18 %. Отношение отражаемого поверхностью потока солнечного излучения к поступившему называется альбедо. Антропогенная деятельность существенно влияет на климатические факторы, изменяя их режимы. Так, массовые выбросы в атмосферу твердых и жидких частиц от промышленных предприятий могут резко изменить режим рассеивания солнечного излучения в атмосфере и уменьшить приход теплоты к поверхности Земли. Уничтожение лесов и иной растительности, создание крупных искусственных водохранилищ на бывших территориях суши увеличивает отражение энергии, а загрязнение пылью, например, снега и льда — наоборот, увеличивает поглощение, что приводит к их интенсивному таянию. Таким образом, мезоклимат может резко измениться под воздействием человека: понятно, что климат Северной Африки в отдаленном прошлом, когда она была огромным оазисом, существенно отличался от сегодняшнего климата пустыни Сахара. Глобальные последствия антропогенной деятельности, чреватые экологическими катастрофами, сводят обычно к двум гипотетическим явлениям: парниковому эффекту и ядерной зиме. Суть п арникового эффекта состоит в следующем. Солнечные лучи проникают сквозь земную атмосферу к поверхности Земли. Однако накопление в атмосфере диоксида углерода, оксидов азота, фторхлоруглеводородов (фреонов) приводит к тому, что тепловое длинноволновое излучение Зем- 46
ли поглощается атмосферой. Это приводит к накоплению избыточной теплоты в приземном слое воздуха, т. е. нарушается тепловой баланс планеты. Такой эффект подобен тому, который мы наблюдаем в покрытых стеклом или пленкой парниках. В результате температура воздуха у земной поверхности может возрасти: прогнозируется, что если содержание СО2 возрастет с 336 частей на миллион в настоящее время до 400—450 частей на миллион в будущем, то температура воздуха поднимется на 1,0—1,5 °С. Сейчас ежегодное возрастание содержания СО2 оценивается в 1—2 части на миллион. Такая ситуация, как считают, может привести уже в первой половине XXI в. к катастрофическим изменениям климата, в частности к массовому таянию ледников и подъему уровня Мирового океана. Ядерная зима считается возможным следствием ядерных (в том числе и локальных) войн. В результате ядерных взрывов и неизбежных после них пожаров тропосфера окажется насыщенной твердыми частицами пыли, пепла. Земля окажется закрытой (экранированной) от солнечных лучей в течение многих недель и даже месяцев, т. е. наступит так называемая «ядерная ночь». Одновременно в результате образования оксидов азота произойдет разрушение озонового слоя планеты. Экранирование Земли от солнечного излучения приведет к сильному понижению температуры с неизбежным снижением урожаев, массовой гибелью живых организмов, включая человека, от холода и голода. А те организмы, которые сумеют пережить данную ситуацию до восстановления прозрачности атмосферы для солнечных лучей, окажутся под воздействием жесткой ультрафиолетовой радиации (из-за разрушения озона) с неизбежным нарастанием частоты раковых и генетических заболеваний. Процессы, связанные с последствиями ядерной зимы, в настоящее время являются предметом математического и машинного моделирования учеными многих стран. Но человечество располагает и природной моделью подобных явлений, которая заставляет отнестись к ним очень серьезно. В 1883 г. произошло сильнейшее извержение (взрыв) вулкана Кракатау, находящегося на маленьком островке в Зондском проливе (между островами Ява и Суматра). В атмосферу были выброшены исчисляемые многими миллионами тонн массы пепла, которые в течение нескольких лет оставались взвешенными в атмосфере, подвергались глобальному переносу с воздушными массами. В результате в течение трех лет после извержения наблюдалось некоторое похолодание' глобального климата и снижение урожаев сельскохозяйственных культур. Возрастающие темпы сжигания ископаемого топлива приводят, с одной стороны, к устойчивому, хотя и медленному на- 47
растанию содержания СОг в атмосфере, а с другой — к накоплению (правда, пока локальному и рассеиваемому) атмосферного аэрозоля. По поводу того, какие последствия будут преобладать в результате этих процессов (потепление или похолодание), среди ученых идут дискуссии. Но независимо от точек зрения, необходимо помнить о том, что жизнедеятельность человеческого общества становится, как об этом говорили В. И. Вернадский, А. Е. Ферсман, мощной геологической и геохимической силой, способной существенно изменить экологическую ситуацию в глобальном масштабе. С лучистой энергией Солнца связана освещенность земной поверхности, определяющаяся продолжительностью и интенсивностью светового потока. Вследствие вращения Земли происходит периодическое чередование темного и светлого времени суток, а также изменение продолжительности светового дня. Поскольку данный фактор имеет правильную периодичность, то его значение для жизни исключительно велико. У растений и животных в • процессе эволюции выработались глубокие физиологические, морфологические и поведенческие адаптации к динамике освещенности. У всех животных, включая человека, существуют так называемые циркадные (суточные) ритмы активности. Многие растения распускают цветы в дневное время и закрывают их ночью, а процессы фотосинтеза и дыхания, световые и тем- новые реакции наглядно демонстрируют приспособленность живого к освещенности. Требования организмов к определенной продолжительности темного и светлого времени носят название фотопериодизма, причем особенно важное значение имеют сезонные колебания освещенности. Для некоторых организмов, например насекомых, характерны пороговые длины дня. Так, если продолжительность дня меньше 15 ч, то развитие поколения у такой известной бабочки, как капустница, может задерживаться. Прогрессивная тенденция к уменьшению продолжительности светового дня от лета к осени служит информацией для подготовки к зимовке или спячке. Поскольку фотопериодические условия зависят от широты, у ряда видов (в первую очередь у насекомых) могут образовываться географические расы, различающиеся по пороговой продолжительности дня. Влажность воздуха — это содержание в воздухе водяного пара. Наиболее богаты влагой нижние слои атмосферы (до высоты 1,5—2,0 км), где концентрируется примерно 50% всей влаги. Содержание водяного пара в воздухе зависит от температуры последнего: при каждой конкретной температуре существует определенный предел насыщения воздуха парами воды, называемый максимальным насыщением. Обычно содержание паров воды в воздухе не достигает возможного максимума. Разница между максимально возможным и данным конкретным насыщением называется дефицитом влажности или недостатком насыщения. Это важнейший экологический показатель, широко используемый в сельском и лесном хозяйстве, и поэтому метеорологические станции обязательно его учитывают. 48
Фактическое содержание водяных паров в воздухе в данный момент времени, выраженное в паскалях или в мм ртутного столба, называют абсолютной влажностью, а выраженное в процентах по отношению к максимально возможному — относительной. Приведем несколько примеров. В сухое и теплое лето многие организмы, например насекомые, развиваются быстрее, питаются интенсивнее. Если такая погода сохраняется в течение 2—3 лет, то насекомые, питающиеся растениями, размножаются в очень больших количествах (дают вспышки численности) и наносят существенный ущерб. Постоянные наблюдения за дефицитом влажности позволяют предсказать такие вспышки и принять меры по защите растений. В шишках хвойных пород (ели, сосны, лиственницы и др.) живет очень много насекомых. Шишки — их постоянное место обитания и одновременно — источник корма для личинок. Но величины урожаев шишек от года к году колеблются (особенно у ели) — от обильного до почти нулевого. Таким образом, в один год пищи достаточно, а в другой — ее нет. Установлено, что урожаи шишек у ели наступают после теплых сухих лет, когда дефицит влажности достаточно высок. При этом в лесном хозяйстве можно предсказывать обильные урожаи шишек и неурожаи. Оказалось, что насекомые «знают» о том, будут шишки или не будут на следующий год, и задерживают свое развитие: не дают в неурожайный год очередного поколения. В противном случае бабочкам некуда будет откладывать яйца, а личинкам негде кормиться. Исследования позволили установить, что и неурожай у ели, и задержка в развитии насекомых, питающихся шишками, вызываются одним и тем же фактором: дефицитом влажности. Если этот показатель летом ниже среднего многолетнего, то и урожай шишек ели на следующий год слабый, а насекомые задерживаются в развитии. Эти примеры показывают, насколько тесно связаны процессы, происходящие в живой природе, с абиотическими факторами и насколько специфичными могут быть каналы информации. Осадки. Атмосферные осадки — это вода в жидком (капли) или твердом состоянии, выпадающая на земную поверхность из облаков или осаждающаяся непосредственно из воздуха вследствие сгущения водяного пара. Из облаков могут выпадать дождь, снег, морось, ледяной дождь, снежные зерна, ледяная крупа, град. Количество выпавщих осадков измеряется толщиной слоя выпавшей воды в миллиметрах. Осадки тесно связаны с влажностью воздуха и представляют собой результат конденсации водяных паров. Вследствие конденсации в приземном слое воздуха образуются росы, туманы, а при низких температурах наблюдается кристаллизация влаги. Конденсация и кристаллизация паров воды в более высоких слоях атмосферы образуют облака различной структуры и являются причиной атмосферных осадков. Осадки — важнейшее звено в круговороте воды на Земле, причем в разных широтах количество осадков резко колеблется. Выделяют влажные (гумид- ные) и сухие (аридные) зоны земного шара. Максимальное количество осадков выпадает в зоне тропических лесов (до 49
2000 мм/год), в то время как в аридных зонах (например, в пустынях) — 0,18 мм/год. Атмосферные осадки — важнейший фактор, определяющий процессы загрязнения природной среды. Присутствие водяных паров (тумана) в воздухе при одновременном поступлении в него, например, диоксида серы приводит к тому, что последний окисляется до триоксида серы. В условиях застоя воздуха (штиль) образуется устойчивый токсичный туман. Подобные вещества могут вымываться из атмосферы и цыпадать на поверхность суши и океана. Типичным результатом являются так называемые кислотные дожди. Твердые примеси в атмосфере могут служить ядрами конденсации влаги, вызывая разные формы осадков. Движение воздушных масс (ветер). Как известно, причиной образования ветровых потоков и перемещения воздушных масс является неравномерный нагрев разных участков земной поверхности, связанный с перепадами давления. Ветровой поток направлен в сторону меньшего давления, но и вращение Земли также влияет на циркуляцию воздушных масс в глобальном масштабе. В приземном слое воздуха движение воздушных масс оказывает влияние на все метеорологические факторы окружающей среды, т. е. на климат, включая режимы температуры, влажности, испарения с поверхности суши и моря, ^ также транспирацию растений. Для специалиста в области управления качеством окружающей среды особенно важно знать, что ветровые потоки — важнейший фактор переноса, рассеивания и выпадения загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу от промышленных предприятий, теплоэнергетики, транспорта. Сила и направление ветра определяют режимы загрязненности окружающей среды. Например, штиль в сочетании с инверсией температуры воздуха рассматривается как неблагоприятные метеорологические условия (НМУ), способствующие длительному сильному загрязнению воздуха в районах промышленных предприятий и проживания людей. Специфика метеорологических факторов того или иного региона учитывается при строительстве предприятий и установлении им разрешенных величин выбросов в атмосферу. Давление атмосферы. Нормальным давлением принято считать 101,3 кПа G60 мм рт. ст.). В пределах поверхности земного шара существуют постоянные области высокого и низкого давления, причем наблюдаются сезонные и суточные минимумы и максимумы давления в одних и тех же точках. Различаются также морской и континентальный типы динамики атмосферного давления. Периодически возникающие области низкого давления характеризуются мощными потоками воздуха, движущегося по спирали и перемещающегося в пространстве 50
к центру, которые носят название циклонов. Циклоны связаны с неустойчивой погодой и большим количеством осадков. В противоположность им, антициклоны характеризуются устойчивой погодой, низкими скоростями ветра, в ряде случаев температурными инверсиями. При антициклонах могут возникать неблагоприятные с точки зрения переноса и рассеивания примесей метеорологические условия. Абиотические факторы почвенного покрова (педосферы). Согласно определению В. Р. Вильямса, почва —рыхлый поверхностный горизонт суши, способный производить урожай растений. Важнейшим свойством почвы является ее плодородие, т. е, способность обеспечивать органическое и минеральное питание растений. Плодородие зависит от физических и химических свойств почвы, которые в совокупности представляют собой эдафогенные (от греч. эдафос — почва), или эдафи- ческие, факторы. Почва — продукт физического, химического и биологического преобразования (выветривания) горных пород, является трехфазной средой, содержащей твердые, жидкие и газообразные компоненты. Она формируется в результате сложных взаимодействий климата, растений, животных, микроорганизмов и рассматривается как биокосное тело, содержащее живые и неживые компоненты. В мире существует множество типов почв, связанных с различными климатическими условиями и спецификой процессов ее образования. Поскольку климат Земли характеризуется определенной поясностью, cBLH3aHHofi с количеством приходящего солнечного излучения, почвы также характеризуются определенной поясностью, хотя пояса далеко не всегда имеют сплошной характер. Среди главнейших типов почв России можно назвать тундровые, подзолистые почвы таежно-лес- ной зоны (самые распространенные), черноземы, серые лесные почвы, каштановые почвы (к югу и востоку от черноземных), бурые Рис. 2.4. Схематический разрез (профиль) почвы: Л о — подстилка, или дернина; А\ — гумусовый горизонт; Л2 — горизонт вымывания (подзолистый): В — горизонт вмывания (иллювиальный); С — подстилающая (материнская) порода 51
почвы (характерны для сухих степей и полупустынь), красноземы, солончаки и др. В результате перемещения и превращения веществ почва обычно расчленяется на отдельные слои, или горизонты, сочетание которых на разрезе образует профиль почвы (рис. 2.4). Соотношение и протяженность горизонтов по глубине зависит от типа почвы, но в общем случае (например, у подзолистых почв) самый верхний горизонт (А\), содержащий продукты пере- гнивания органики, является наиболее плодородным. Он называется гумусовым или перегнойным, имеет зернисто-комко- ватую или слоистую структуру. Избыток или недостаток гумуса* определяет плодородие почвы. Именно в нем происходят сложные физико-химические процессы, в результате которых образуются элементы питания растений. В химический состав гумуса входят как свободные ульми- новая и гуминовая кислоты, тай и их соли на основе кальция, железа, алюминия (гуматы, ульматы). Кроме того, здесь содержатся гумины и ульмины, образующиеся при денатурации кислот. Гумус имеет разную окраску. В условиях плодородных черноземных почв гуминовые вещества придают ему темный цвет, а в условиях подзолистых лесных почв северной и средней полосы он, в основном, светлый из-за присутствия подвижных,, водорастворимых и вымывающихся веществ, например крено- вой и апокреновой кислот. Гумус представляет собой растительные и животные остатки, разложившиеся под воздействием микроорганизмов, разрушающих крахмал, целлюлозу, белковые соединения, лигнин. Его мощность по глубине 10—15 см. Над гумусовым горизонтом располагается слой растительного опада, который принято называть подстилкой (Ло). Он состоит из еще не разложившихся растительных остатков. Ниже гумусового горизонта расположен малоплодородный белесый слой толщиной 10—12 см (А2). Питательные вещества вымыты из него водой или кислотами. Поэтому его называют горизонтом вымывания или выщелачивания (элювиальным). Собственно он и является подзолистым горизонтом. Слабо растворяются и остаются в этом горизонте кварц и оксид кремния. В черноземных, каштановых и ряде других типов почв подзолистый горизонт отсутствует. Далее расположен горизонт вмывания (или иллювиаль- * Понятие «гумус» до настоящего времени не имеет исчерпывающего определения и в современных учебниках и монографиях обычно не приводится. В 1939 г. известный лесовод М. Е. Ткаченко привел в учебнике «Лесоводство» следующее определение гумуса: «под гумусом, или перегноем, понимают невыделяемый физическими методами сложный комплекс органо- минеральных соединений, образовавшихся из органических остатков путем разложения последних при помощи микроорганизмов». Гослестехиздат. С. 149. 52
ный), где накапливаются вымытые из вышележащих, горизонтов минеральные и органические соединения (В), Он имеет плотную структуру, обычно темную окраску, Еще ниже зале- гаег материнская порода (С). Свыше 50 % минерального состава почвы образовано кремнеземом (Si2O3), около 1—25 % приходится на глинозем (А12О3), 1—10%—на оксиды железа (Fe2O3), 0,1— 5,0%— на оксиды магния, калия, фосфора, кальция (MgO, К2О, Р2О5, СаО). Органические вещества, поступающие в почву с мертвыми тканями организмов, включают углеводы (лигнин, целлюлозу, гемицел- люлозу), белковые вещества (протеины), жиры (липиды), а также конечные продукты обмена веществ растений: воска, смолы, дубильные вещества. Органические остатки в почве минерализуются с образованием более простых (воды, СО2> аммиака и др.) или более сложных соединений, например гумуса. Важнейшими химическими свойствами почвы, превращающими ее в уникальный реактор, являются концентрация солей в почвенном растворе, кислотность, оказывающая решающее влияние на активность микроорганизмов и усвоение растениями азота, а также обменная или поглотительная способность почвы, связанная с суммой обменных оснований почвенных коллоидов. В процессе выветривания горных пород, например гранита, состоящего из трех основных компонентов: полевого шпата (K2O-Al2O3-6SiO2), слюды (оксиды калия, магния, железа, алюминия и кремния) и кварца (одна из форм диоксида кремния SiO2), происходят сложные химические превращения веществ. Полевой шпат выветривается вследствие вымывания калия в виде карбоната с образованием глинистого вещества — каолинита (Al2O3-2SiO2-2H2O). Из вкраплений слюды удаляются калий и магний, а остающиеся оксиды железа, алюминия, кремния образуют частицы глины. Кварц практически нерастворим и остается в почве в виде частиц песка. Глина и гумус взаимодействуют, образуя сравнительно прочные частицы, составляющие так называемый глинисто-гумусовый (или поглощающий) комплекс. Они называются мицеллами (рис. 2.5). Поверхность каждой мицеллы имеет множество отрицательно заряженных участков, которые привлекакУг к себе положительно заряженные ионы кальция, магния, калия, водо^ рода. Как известно, содержание воды в почве колеблется в зависимости от ряда факторов, в том числе от температуры и осадков. Чем выше концентрация солей в почвенном растворе, тем менее они доступны растению. Однако при повышении концентрации солей мицеллы способны поглощать из раствора часть растворенных ионов. Некоторые из них (железо, фосфорная и угольная кислоты и др.) образуют с твердыми частицами почвы труднорастворимые соединения, в то время как другие — 53
— 4- Na Рис. 2.5. Глинисто-гумусовый комплекс (мицелла), на поверхности которого находятся отрицательные заряды, притягивающие ионы водорода и минеральных веществ По Р. Риклефсу, 1979 кальций, магний, натрий, калий — лишь притягиваются к поверхности мицеллы, вытесняя другие элементы. Ионы водорода вытесняют из мицеллы другие ионы. Таким образом, мицеллы и образуют поглощающий комплекс. А способность твердой части почвы поглощать различные ионы и соли называется поглотительной способностью. Орографические (геоморфологические) факторы. Геоморфология— наука о рельефе. Эти факторы имеют преимущественно косвенное значение, поскольку, например, отметка местности (высота) собственно экологическим фактором не является. Но от высоты, от степени крутизны склона горы или холма, ориентации склона относительно стран света, общей структуры рельефа зависит весь комплекс микроклиматических и почвенных факторов. Кроме того, крутизна склона и особенности его поверхности могут сказываться на развитии корневых систем растений, их внешнем строении: в горных условиях ряд древесных пород приобретает низкорослость, стелющиеся (так называемые стланиковые) формы. Рельеф оказывает влияние на процессы почвообразования, причем почвы на склонах особенно ранимы и уничтожение растительности (например, при рубках леса), усиленная пастьба скота вызывают разрушение почв (эрозию). Существует ряд ограничений на вырубку лесов в горах, на иные виды пользования. Рельеф местности является одним из важнейших факторов, от которых зависит перенос, рассеивание и накопление вредйых примесей в атмосферном воздухе. Расположенные в низинах населенные пункты в зонах рассеивания промышленных выбро* 54
сов подвергаются сильному застойному загрязнению, а растительность — угнетению вплоть до гибели. Различают самые крупные формы рельефа, связанные с процессами горообразования (макрорельеф), формы с колебаниями высоты от 1 до 10 м (мезорельеф) и самые мелкие формы с перепадами в пределах десятков сантиметров (микрорельеф) В условиях пересеченного рельефа с вытянутыми элементами (ущельями, каньонами) образуются своего рода «трубы», через которые вредные примеси могут переноситься на десятки километров. Водные объекты (акватории) занимают пре- Абиотические обладающую часть всей биосферы Земли. водноГсреды И3 °бщей площади ее поверхности, равной 510 млн км2, на долю Мирового океана приходится 361 млн км2 (или 71 %). Плотность воды в 800 раз, а вязкость — примерно в 55 раз больше, чем воздуха. Поэтому водная среда очень своеобразна и влияет на образ жизни и жизненные формы ее обитателей. Океан — главный акцептор и аккумулятор солнечной энергии, т. к. вода обладает высокой теплоемкостью. Водная оболочка (гидросфера) включает: соленые воды Мирового океана и внутренних морей; пресные воды суши, сосредоточенные в горных льдах, реках, озерах, болотах. Рассмотрим экологические характеристики водной среды. Подвижность, т. е. постоянное перемещение и перемешивание водных масс в пространстве, способствует поддержанию относительной гомогенности (однообразию) их физических и химических характеристик. Температурная стратификация — это изменение температуры воды по глубине водного объекта. Непрерывное, или клинальное (от греч. клино — наклонять), изменение температуры характерно для любых экологических систем. Часто для обозначения такого изменения используют слово «градиент». Однако температурная стратификация воды в водоеме — специфическое явление. Так, в летний период поверхностные воды нагреваются сильнее, чем глубинные. Поскольку более теплая вода является менее вязкой, то ее циркуляция происходит в поверхностном, нагретом слое и с более вязкой холодной водой она не смешивается. Между теплым и холодным слоем образуется промежуточная зона с резким градиентом температуры, которую называют термоклиной. Вполне понятно, что температурная стратификация воды оказывает решающее влияние на размещение в воде живых организмов и на перенос и рассеивание примесей, поступающих от предприятий промышленности, сельского хозяйства, быта. Общий температурный режим, связанный с периодическими (годовыми, сезонными, суточными) изменениями температуры, 55
также является важнейшим условием обитания живых органиа мов в воде. Прозрачность воды определяет проникновение в ^ толщу солнечного света и световой режим. От прозрачности (\ обратной ей характеристики — мутности) зависит фотосин тез фитопланктона, высших водных растений, а следовательно и накопление биомассы (продукция), которое возможно липц в пределах так называемой эвфотической (от греч. эв- пере, сверх, фотос — свет) зоны, т. е. в освещенной толще воды, где процессы фотосинтеза преобладают над процессами ды' хания. Мутность связана с содержанием в воде взвешенных ве* ществ, в том числе и поступающих в водные объекты с промыпь ленными и иными стоками. Соленость также является важнейшим фактором для обитающих в воде организмов. Соленость связана с содержанием в воде растворенных карбонатов, сульфатов, хлоридов. В пресных водах их содержание невелико, причем до 80 % составляют карбонаты. Воды открытого океана содержат в среднем 35 г/л солей, Черного моря— 19, Каспийского — около 13, Мертвого — 260 г/л с преобладанием хлоридов кальция, калия, натрия, магния. Растворенные газы также являются важной характеристикой воды. Первоочередное значение имеют кислород и углекислый газ, от которых зависят фотосинтез и дыхание водо- обитающих организмов. Перерасход кислорода на дыхание водных обитателей и окисление поступающих в воду загрязняющих веществ ведет к преобладанию анаэробных процессов, «загниванию» воды, избытку мертвой органики, т. е. к процессам эвтрофирования (от греч. эв — пере, сверх, трофе — питаюсь) ¦ Распространение и жизнедеятельность организмов в воде зависит от кислотности среды. Каждый вид гидробионта адаптирован (приспособлен) к определенному значению рН: одни предпочитают кислую среду, другие — щелочную, третьи — нейтральную. Промышленные, сельскохозяйственные, бытовые стоки существенно изменяют этот показатель, что приводит к смене одних групп водных обитателей другими, а в сооружениях биологической очистки сточных вод оказывает решающее влияние на активность входящих в состав ила водорослей, бактерий, коловраток и др. Биотические факторы Биотические факторы — это совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие. Взаимоотношения между организмами чрезвычайно сложны и многообразны, и в целом 56
их можно условно разделить на прямые и опосредованные. Первые заключаются в основном в непосредственных связях по линии трофики (питания): животные получают энергию для своей жизнедеятельности, поедая растения или других животных. В свою очередь, поедаемые животные (жертвы) служат источником энергии для хищников. Взаимодействия в системах жертва— хищник или хозяин — паразит в итоге обеспечивают естественный отбор и выживание наиболее приспособленных, определяют динамику численности популяций. Опосредованные взаимодействия заключаются в том, что одни организмы являются средообразователями по отношению к другим, причем приоритетная значимость здесь принадлежит, безусловно, растениям-фотосинтетикам. Хорошо известна, например, локальная и глобальная средообразующая функция лесов, в том числе их почво- и полезащитная и водоохранная роль. Непосредственно в условиях леса создается своеобразный микроклимат, который зависит от морфологических особенностей деревьев и позволяет обитать именно здесь специфическим лесным животным, травянистым растениям, мхам и др. Условия ковыльных степей представляют совершенно иные режимы абиотических факторов. В водоемах и водотоках растения — основной источник такого важнейшего абиотического компонента среды, как кислород. Одновременно растения служат непосредственным местом обитания для других организмов. Например, в тканях дерева (в древесине, лубе, коре) развиваются многие грибы, плодовые тела которых (трутовики) можно видеть на поверхности ствола; внутри листьев, плодов, стеблей травянистых и древесных растений живет множество насекомых и других беспозвоночных, а дупла деревьев — обычное место обитания ряда млекопитающих и птиц. Для многих видов скрытноживущих .животных место питания совмещено с местом обитания. В мо й Взаимодействия между живыми организмами между ДС СТВИЯ (преимущественно животными) классифицируют организмами с точки зрения их взаимных реакций. в наземной Различают гомотипические (от греч. и водной гомос — одинаковый) реакции, т. е. взаимодей- среде ствия между особями и группами особей одного и того же вида, и гетеротипические (от греч. гетерос — иной, разный)—взаимодействия между представителями разных видов. Среди животных существуют виды, способные питаться только одним видом пищи (монофаги), на более или менее ограниченном круге источников пищи (узкие или широкие олигофаги), или на многих видах, используя в пищу не только растительные, но и животные ткани (полифаги). К числу последних принадлежат, например, многие птицы, способные поедать как насекомых, так и семена растений, или такой извест- 57
ный вид, как медведь —по природе своей хищник, но охотно поедает ягоды, мед. Наиболее распространенный тип гетеротипических взаимодействий между животными — хищничество, т. е. непосредственное преследование и поедание одних видов другими, например насекомых — птицами, травоядных копытных — плотоядными хищниками, мелких рыб — более крупными и т. п. Хищничество широко распространено между беспозвоночными животными— насекомыми, паукообразными, червями и др. Другой тип — паразитизм. В самом обычном случае организм-паразит постоянно обитает на поверхности или внутри тела другого животного или растения (т. е. «хозяина») и живет за счет его питательных веществ. Примерами могут служить обычные вши, кишечные гельминты (плоские и круглые черви), клещи, простейшие, вызывающие заболевания, а из растений — повилика или полупаразит — омела. Такой паразитизм носит название истинного, при котором паразит не убивает своего хозяина. Однако многие паразиты лишь периодически обитают на хозяине. Так, например, многие насекомые откладывают яйца внутрь или на поверхность тела беспозвоночных. Отродившаяся из этого яйца личинка паразита съедает хозяина изнутри или высасывает его снаружи. Такие организмы принято называть ложными паразитами или п а р а з и т о и д а м и. Из других форм взаимодействий между организмами можно назвать хорошо известное опыление растений животными (насекомыми); форезию, т. е. перенос одними видами других (например, семян растений птицами и млекопитающими); комменсализм (сотрапезничество), когда одни организмы питаются остатками пищи или выделениями других, примером чего являются гиены и грифы, пожирающие остатки пищи львов; синойкию (сожительство), например использование одними животными мест обитания (нор, гнезд) других животных; нейтрализм, т. е. взаимонезависимост^ разных видов, обитающих на общей территории. Одним из важных типов взаимодействия между организмами считается к о н к у р е н ц и я, которую определяют как стремление двух видов (или индивидуумов одного вида) обладать одним и тем же ресурсом. Таким образом, выделяют внутривидовую и межвидовую конкуренцию. Конкуренцию межвидовую рассматривают, кроме того, как стремление одного вида вытеснить другой вид (конкурента) из данного места обитания. Однако реальные доказательства конкуренции в природных (а не в экспериментальных) условиях найти трудно. Конечно, две разных особи одного вида могут пытаться отнять друг у друга куски мяса или иной пищи, но подобные явления объясняются разнокачественностью самих особей^ их разной приспособленностью к одним и тем же экологическим факторам. Любой вид организма приспособлен не к одному какому-либо фактору, а к их комплексу причем требования двух разных (пусть даже близких) видов не совпадают. Поэтому один из двух окажется вытесненным в природной среде 58
не в силу «конкурентных стремлений» другого, а просто потому, что он хуже адаптирован к другим факторам. Характерный пример — «конкуренция» за свет между хвойными и лиственными древесными породами в мо- лодняках. Лиственные (осина, береза) опережают в росте сосну или ель, но этс нельзя считать конкуренцией между ними: просто первые лучше адаптированы к условиям вырубок и гарей, чем вторые. Многолетние работы по уничтожению лиственных «сорняков» при помощи гербицидов и арборицидов (химических препаратов для уничтожения травянистых и кустарниковых растений), как правило, не приводили к «победе» хвойных, поскольку далеко не только световое довольствие, но и многие другие факторы (как биотические, так и абиотические) не отвечали их требованиям. Иногда животных, поедающих растения или других животных (паразитов, хищников, фитофагов), рассматривают в качестве естественных врагов тех видов, которыми они питаются. Такой подход в принципе не верен. Эти о'рганизмы— обычные экологические факторы, осуществляющие в природной экосистеме функции естественного отбора. Поэтому с общебиологических позиций хозяин и паразит являются взаимно необходимыми друг другу. Исчезновение (или уничтожение) такого «естественного врага» нанесет ущерб его хозяину или жертве, так как слабые, отставшие в развитии, генетически ущербные индивидуумы не будут уничтожаться, но будут давать при скрещивании потомство заведомо нежизнеспособное. Отбор и приспособительная изменчивость тем самым будут исключены, и вид, не имеющий «врагов», обречен на вырождение. Все эти обстоятельства человек должен учитывать при управлении живой природой, при эксплуатации животных и растений, т. е. при промысле или проведении таких хозяйственных мероприятий, как защита растений в сельском хозяйстве. Биотические Как уже упоминалось выше, почва — биокосное факторы тело. В процессах ее образования и функциони- почвы рования важнейшую роль играют живые организмы. К ним относятся, в первую очередь, зеленые растения, извлекающие из почвы питательные химические вещества и возвращающие их обратно вместе с отмирающими тканями. Основным материалом для образования подстилки и гумуса, например в лесах, служат остатки мхов, травянистых растений, но главным образом —«¦ хвоя и листва деревьев, определяющие кислотность почвы: рН хвои ели составляет 4,3, сосны — 5,1, листьев березы — 5,7. Питательные вещества из почвы поступают в растение через корневые окончания в ионной форме: катионы оснований, например, обмениваются на катионы водорода, источником которых могут быть органические кислоты. Корни растений извлекают из почвы соединения азота (нитраты), серы, фосфора, а также зольные элементы, в частности соли калия, кальция, в меньшей степени — кремнезем и полуторные оксиды. Зольные элементы частично закрепляются в растительной ткани, а частично возвращаются в почву с опадом. Тем самым растительность создает непрерывный поток зольных элементов из более глубоких слоев почвы к ее поверхности, т. е. их биологическую миграцию. 59
Но в процессах почвообразования решающую роль играют населяющие почву живые организмы (йедобионты): микробы, беспозвоночные и др: Микроорганизмам принадлежит ведущая роль в трансформации химических соединений, миграции химических элементов, питании растений. Совокупность биохимических процессов в почве называют биологической активностью почвы, оценивая ее количественно различными показателями, например интенсивностью «дыхания», образования тепловой энергии, ферментативной активностью организмов-деструкторов. Первичное разрушение мертвой органики осуществляют беспозвоночные животные (черви, моллюски, насекомые и др.) в процессе питания и выделения в почву продуктов пищеварения. Их суммарная масса может изменяться от 70 кг/га в тундровых почвах до 1 т/га и более — в широколиственных лесах. Фотосинтетическое связывание углерода в почве осуществляют в некоторых типах почв микроскопические зеленые и сине-зеленые водоросли, масса которых в некоторых типах почв достигает 0,5 т/га. Наибольшую значимость в трансформациях химических веществ в почве имеют бактерии и грибы. Микроскопические педобионты (включая водоросли) выделяют в процессе «почвенного дыхания» около 90 % диоксида углерода, причем 2/3 приходится на долю грибов, а 7з — бактерий. Подробное рассмотрение биохимии почвы не входит в задачу настоящей книги. Поэтому ограничимся лишь некоторыми примерами. Почвенные микроорганизмы осуществляют основное разрушение минералов й приводят к образованию органических и минеральных кислот, щелочей, выделяют синтезированные ими ферменты, полисахариды, фенольные соединения. В анаэробных условиях (при отсутствии кислорода) под воздействием метанообразующих бактерий осуществляются процессы брожения с образованием метана CHU. Далее мета'но- окисляющие бактерии «перехватывают» метан и окисляют его до диоксида углерода через метанол, формальдегид и муравьиную кислоту: СН4 —* СНзОН —> НСНО —> НСООН —> СО2. Целлюлоза разлагается (гидролизуется) под воздействием микробных ферментов с превращением ее в целлюбиозу с дальнейшим образованием глюкозы. Ряд почвенных грибов располагает для таких преобразований специальными комплексами цел- люлозолитических ферментов. Анаэробный распад целлюлозы осуществляется только бактериями (например, бациллой Омелянского), а аэробный — многими видами бактерий, грибами, актиномицетами. Среди 60
-аэробных хемотрофов важное значение имеют азотфиксирующие клубеньковые бактерии (например, азотобактер), а среди фо- тотрофов — пурпурные, зеленые* сине-зеленые бактерии. Важнейшим звеном в биогеохимическом цикле азота является азотфиксация, которую осуществляют азотфиксирующие бактерии. Известно, что общая продукция фиксации азота микробами составляет 160—170 млн т/год. Существенную роль в азотфиксации выполняет фермент нитрогеназа, причем в активации молекулы азота принимает участие входящий в состав данного фермента молибден. Необходимо также упомянуть о симбиотической (совместной с растениями) фиксации азота, осуществляемой клубеньковыми бактериями, располагающимися на корнях растений. 2.3. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОРГАНИЗМОВ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ Любой экологический фактор динамичен, изменчив во времени и пространстве. Теплое время года с правильной периодичностью сменяется холодным; в течение суток наблюдаются более или менее широкие колебания температуры, освещенности, влажности, силы ветра и т. п. Все это — природные колебания экологических факторов, однако воздействовать на них способен й человек. Влияние антропогенной деятельности на окружающую среду проявляется в общем случае в изменении режимов (абсолютных значений и динамики) экологических факторов, а также — состава факторов, например при внесении ксенобиотиков в природные системы в процессе производства или специальных мероприятий— таких как защита растений при ломощи ядохимикатов или внесение органических и минеральных удобрений в почву. Однако каждому живому организму требуются строго определенные уровни, количества (дозы) экологических факторов, а также определенные пределы их колебаний. Если режимы всех экологических факторов соответствуют наследственно закрепленным требованиям организма (т. е. его генотипу), то он способен выживать и давать жизнеспособное потомство. Требования и устойчивость того или иного вида организма к экологическим факторам определяют границы географической зоны, в пределах которой он может обитать, т. е. его ареал. Факторы окружающей среды определяют также амплитуду колебаний численности того или иного вида во времени и пространстве, которая никогда не остается постоянной, а изменяется в более или менее широких пределах. 61
Живой организм в природных условиях одно- Закон временно подвергается воздействию со стороны ф™тораУЮЩеГ° не °ДН0Г0> а многих экологических факторов — как биотических, так и абиотических, причем каждый фактор требуется организму в определенных количествах или дозах. Растения нуждаются в значительных количествах влаги, питательных веществ (азот, фосфор, калий), но требования к другим веществам, например бору или молибдену, определяются ничтожными количествами. Тем не менее недостаток или отсутствие любого вещества (как макро-, так и микроэлемента) отрицательно сказывается на состоянии организма, даже если все остальные присутствуют в требуемых количествах. Один из основоположников агрохимии — немецкий ученый Юстус Либих A803—1873) сформулировал теорию минерального питания растений. Он установил, что развитие растения или его состояние зависят не от тех химических элементов (или веществ), то есть факторов, которые присутствуют в почве в достаточных количествах, а от тех, которых не хватает. Например, достаточное для растения содержание азота или фосфора в почве не может компенсировать недостаток железа, бора или калия. Если любого (хотя бы одного) из элементов питания в почве меньше, чем требуется данному растению, то оно будет развиваться ненормально, замедленно или иметь патологические отклонения. Результаты своих исследований Ю. Либих сформулировал в виде фундаментального закона минимума. Веществом, присутствующим в минимуме, управляется урожай, определяется его величина и стабильность во времени. Разумеется, закон минимума справедлив не только для растений, но и для всех живых организмов, включая человека. Известно, что в ряде случаев недостаток каких-либо элементов в организме приходится компенсировать употреблением минеральной воды ида витаминов. Некоторые ученые выводят из закона минимума дополнительное следствие, согласно которому организм способен в определенной степени заменить одно дефицитное вещество другим, т. е. компенсировать недостаток одного фактора присутствием другого — функционально или физически близкого. Однако подобные возможности крайне ограничены. Известно, например, что материнское молоко для грудных детей можно заменить искусственными смесями, но дети-искусственники, не получившие в первые часы жизни материнского молока, как правило, страдают диатезами, проявляющимися 62
в склонности к кожным высыпаниям, воспалениям дыхательных путей и др. Закон Либиха — один из основополагающих законов экологии. Однако в начале нашего века американский ученый В. Шелфорд показал, что вещество (или любой другой фактор), присутствующий не только в минимуме, но и в избытке по сравнению с требуемым организму уровнем, может приводить к нежелательным последствиям для организма. Например, даже незначительное отклонение содержания в организме ртути (в принципе — безвредного элемента) от некоторой нормы приводит к тяжелым функциональным расстройствам (известная «болезнь Минамата»). Дефицит влаги в почве делает бесполезными для растения присутствующие в ней питательные вещества, но и избыточное увлажнение ведет к аналогичным последствиям вследствие, например, «задыхания» корней, закисания почвы, возникновения анаэробных процессов. Многие микроорганизмы, в том числе используемые в сооружениях биологической очистки сточных вод, весьма чувствительны к пределам содержания свободных ионов водорода, т. е. к кислотности среды (рН). Проанализируем, что же происходит с организмом в условиях динамики режима того или иного экологического фактора. Если поместить какое-либо животное или растение в экспериментальную камеру и изменять в ней температуру воздуха, то состояние (все жизненные процессы) организма будет изменяться. При этом выявится некоторый наилучший (оптимальный) для организма уровень данного фактора (Г0ПтЬ ПРИ котором его активность (А) будет максимальной (рис. 2.6). Но если режимы фактора будут отклоняться от оптимума в ту или иную (большую или меньшую) сторону, то активность будет снижаться. При достижении некоторого максимального или минимального значения фактор станет несовместимым с жизненными процессами. В организме произойдут изменения, вызывающие его смерть. Эти уровни окажутся, таким образом, смертельными, ИЛИ ЛетаЛЬНЫМИ (Гдет И ГЛет). Аналогичные результаты можно получить в экспериментах с изменениями влажности, содержания различных солей в воде, кислотности, концентрации загрязняющих веществ и др. (см. рис. 2.6,6). Чем шире амплитуда колебаний фактора, при которой организм может сохранять жизнеспособность, тем выше его устойчивость, т. е. толерантность к тому или иному фактору (от лат. толеранция — терпение). Отсюда слово «толерантный» переводят как устойчивый, терпимый, а толерантность можно определить как способность организма выдерживать отклонения экологических факторов от оптимальных для его жизнедеятельности значений. 63
J/КШ Режим фактора Тлет Оптимум жизненного состояния Необратимые изменения S ьлет иопт Концентрация бещес/ntia Рис. 2.6. Воздействие экологического фактора на организм Из всего изложенного вытекает и закон В Шелфорда, или так называемый закон толерантности Любой живой организм имеет определенные, эволюци- онно унаследованные верхний н нижний пределы устойчивости (толерантности) к любому экологическому фактору. Для организма имеет значение не только собственно амплитуда колебаний экологических факторов, но и скорость, с которой фактор изменяется. Известны эксперименты, когда при резком понижении температуры воздуха от + 15 до — 20 РС гусеницы некоторых бабочек погцбали, а при медленном, постепенном охлаждении их удавалось вернуть к жизни после значительно более низких температур. Однако закон толерантности имеет и иную интерпретацию. 64
Вернемся к рис» 2.6, а. Как видим, диапазон между ГЛет и Глет представляет собой пределы выживаемости, после которых наступает смерть. В то же время фактический диапазон устойчивости организма значительно более узок. Если в эксперименте отклонять режим фактора от Г0Пт> то жизненное состояние организма (А) будет снижаться, причем при определенных верхнем или нижнем значении фактора у подопытного организма произойдут необратимые патологические изменения. Организм перейдет в подавленное, пессимальное состояние. Даже если прекратить эксперимент и вернуть фактор к оптимуму, полностью восстановить свое состояние (здоровье) организм уже не сможет, хотя это и не значит, что он обязательно погибнет. Подобные ситуации хорошо известны в медицине: при воздействии на людей в течение рабочего стажа вредных химических веществ, шумов, вибраций и т. п. у них возникают профессиональные заболевания. Таким образом, до того как фактор окажет летальное воздействие на организм, он может оказаться лимитирующим его жизненное состояние. Поэтому закон В. Шелфорда имеет второе название: закон лимитирующего фактора. На рис. 2.6,а значения фактора, при превышении которых он станет лимитирующим, обозначены ГЛим Ц Т лим • В данной интерпретации закон В. Шелфорда имеет непосредственное отношение к санитарной охране окружающей среды и к санитарно-гигиеническому нормированию содержания загрязняющих веществ в воздухе, воде, почве, пищевых продуктах. Этот вопрос подробно рассматривается в следующих разделах книги, а здесь мы ограничимся только некоторыми предварительными замечаниями. Загрязняющие вещества — обычные экологические факторы, хотя и антропогенного происхождения, но их действие на организм человека подчиняется закону лимитирующего фактора. На рис. 2.6,6 показан именно такой пример: присутствие некоторого загрязняющего воздух вещества в окружающей среде. Величина фактора обозначена символом С (первая буква латинского слова «концентрация»). В других случаях, например при поступлении вещества в организм, можно говорить не о концентрации, а о дозе вещества (фактора). При значениях концентрации Слет и Слет человек погибнет, но необратимые изменения в его организме произойдут при гораздо меньших значениях: Слим и СШ1Л. Значит, истинный диапазон толерантности определяется именно последними значениями. Следовательно, их необходимо экспериментально (в опытах на животных) определить для каждого загрязняющего (или любого вредного) химического соединения, и не допускать превышения его содержания в конкретной среде. 65
Заметим, что в санитарной охране окружающей среды важны не нижние пределы устойчивости человека к вредным веществам, а именно верхниепределы,поскольку загрязнение окружающей среды — это и есть превышение устойчивости организма. Таким образом, ставится задача или условие: фактическая концентрация загрязняющего вещества СфаКт не должна превышать СЛИм, т. е. С* факт ^ Слим» Иначе говоря, СЛИм одновременно является пороговой концентрацией Спор и максимально допустимой СМакс для организма человека. В санитарной охране окружающей среды СЛИм имеет, таким образом, смысл предельно допустимой концентрации С пдк (или просто ПДК). Из всего сказанного вытекает первое правило охраны окружающей среды, выраженное языком экологии. Охранять окружающую среду означает обеспечивать состав и режимы экологических факторов в пределах унаследованной толерантности живого (в первую очередь — человеческого) организма, т. е. управлять ею так, чтобы ни один фактор не оказывался лимитирующим по отношению к организму. Классификация Требования к амплитудам колебаний факторов организмов (пределам толерантности) у разных организмов по отношению различны: у одних эти пределы более широкие, к экологическим у друГИХ — более узкие. Например, карп спосо- факторам geH обитать только в пресной воде, а всем известная обыкновенная колюшка выносит некоторую засоленность. Растения могут быть гигрофильными (требовательными к воде), мезофильными (предпочитающими умеренную влажность), ксерофильными (сухолюбивыми). Береза хорошо растет как на относительно сухих, так и на умеренно увлажненных почвах, а для ели предпочтительно умеренное проточное увлажнение. Таким образом, каждый вид имеет определенные пределы толерантности к различным экологическим факторам, которые определяют его распространение, обилие и изменение численности во времени и пространстве. Рассмотрим отношение трех различных условных организмов к экологическим факторам на примере температуры (рис. 2.7). Один из этих видов имеет широкие пределы устойчивости и может обитать в условиях большой амплитуды изменения температуры. Два других имеют гораздо более узкие пределы устойчивости, причем один из них в диапазоне относительно низких, а другой — относительно высоких температур. Если 66
mm max min Температура max Рис. 2.7. Пределы устойчивости (толерантности) организмов к экологическим факторам на примере температуры и классификация устойчивости организмов Виды / и /// — стенотермные, имеющие узкие пределы устойчивости в области низких (/) и высоких (///) температур. ВИД / — криофильный, /// — термофильный. Вид // — эвритермный, имеющий высокие пределы устойчивости. По Ю. Одуму, 1975 иметь в виду животных, то к первым могут быть отнесены обитатели полярной зоны, а к вторым — тропической. Таким образом, вид с широкой амплитудой устойчивости может рассматриваться как эвритермный (от греч. эври— широкий, разный), а два других (/ и /// на рисунке) —как стенотермные (от греч. стенос — узкий). Однако вид /, адаптированный к низким температурам, является криофильным (от греч. криос — холод), а /// — термофильным. Как видим, эвритермный вид способен развиваться и сохранять активность при широких колебаниях фактора, а стенотермные снижают свою активность даже при незначительных отклонениях от оптимума. Аналогичные закономерности применимы и к другим факторам. Например, мы уже упоминали о гигрофилах и ксерофилах. По отношению к содержанию солей в среде обитания выделяют эвригалов и стеногалов (от греч. галс — соль), к освещенности — эврифотов и стенофотов, по отношению к кислотности среды — эврионные и стеноионные виды. Вполне понятно, чта существуют также пределы устойчивости организмов и по отношению к загрязняющим веществам: одни растения или животные более устойчивы к наличию примесей в воздухе или воде, нежели другие. Используя уже знакомые нам термины, оценивая приспособленность организмов к обитанию в условиях широких и узких амплитуд изменений факторов, можно говорить о видах, способных обитать в разнообразных местах обитания (эври- топных) и о таких, чье распространение ограничивается узкой требовательностью к экологическим факторам (стенотоп- ных). 67
Адаптация Динамичность экологических факторов во времени и про- организмов странстве определяется астрономическими, геологическими, к окружающей гелиоклиматическими процессами. Поэтому абиотические среде факторы выполняют управляющую роль по отношению к живым организмам. В результате у организмов в процессе эволюции и естественного отбора вырабатываются наследственно закрепленные особенности, обеспечивающие нормальную жизнедеятельность в различных экологических условиях, называемые адаптациями. Особи, почему-либо утратившие способность к адаптированию, в условиях изменений режимов экологических факторов, обречены на элиминацию, т. е. на вымирание. Рассмотрим некоторые формы адаптации организмов к окружающей среде. Самыми типичными примерами являются хорошо известные морфологические адаптации, проявляющеся, в частности, в приспособлении к быстрому плаванию у водных животных, к выживанию в условиях высоких температур и дефицита влаги — у кактусов и иных суккулентов. Физиологические адаптации заключаются в особенностях ферментативного набора в пищеварительном тракте животных, определяемого составом пищи. Обитатели сухих пустынь способны обеспечивать потребность во влаге за счет биохимического окисления жиров. Биохимический процесс фотосинтеза растений отражает их способность создавать органическое вещество из косного. Поведенческие (этологические) адаптации проявляются в самых разнообразных формах. Например, существуют формы приспособительного поведения животных, направленные на обеспечение оптимального теплообмена с окружающей средой. Приспособительное поведение может проявляться в создании убежищ, передвижениях в направлении более благоприятных, предпочитаемых температурных условий, выборе мест с оптимальной влажностью или освещенностью. Многим беспозвоночным свойственно избирательное отношение к свету, проявляющееся в приближениях или удалениях от источника (таксисах). Известны суточные и сезонные кочевки млекопитающих и птиц, включая миграций и перелеты, а также межконтинентальные перемещения рыб. Приспособительное поведение может проявляться у хищников в процессе охоты (выслеживание и преследование добычи) и у их жертв (затаивание, запутывание следа). Исключительно специфично поведение животных в брачный период и во время выкармливания потомства. 2.4. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ НИША ОРГАНИЗМА Понятия Любой вид адаптирован к строго определенным и определения условиям (факторам) окружающей среды. Выход режима хотя бы одного из множества факторов за пределы толерантности организма вызывает его пессимальное состояние. Унаследованные от предков требования организма к составу и режимам экологических факторов определяют границы распространения того вида, к которому этот Ьрганизм принадлежит, т. е. ареал, а в пределах ареала —конкретные места обитания. Так, в пределах севера таежной зоны морошка и клюква произрастают на сфагновых болотах, а черника или брусника —в более сухих местах. Каждому цветку на нашем подоконнике или рыбе в аквариуме нужны специфические условия среды, температура, питание и др. Существуют водные организмы, адаптированные к обитанию в соленой и пресной во- 68
де. Трудно представить себе жирафу среди полярных льдов, а белого медведя — где-нибудь в Кара-Кумах. Иначе говоря, любой вид животного, растения, микроба способен нормально обитать, питаться, размножаться только в том месте, где его «прописала» эволюция за многие тысячелетия, начиная с его предков. Для обозначения этого феномена биологи заимствовали термин из архитектуры — слово «ниша» и стали говорить, что каждый вид живого организма занимает в природе свою, только ему присущую экологическую нишу. Экологическая ниша организма — это совокупность всех его требований к условиям среды (составу и режимам экологических факторов) и место, где эти требования удовлетворяются, или вся совокупность множества биологических характеристик и физических параметров среды, определяющих условия существования того или иного вида, преобразование им энергии, обмен информацией со средой и себе подобными. Термин «ниша» появился в экологии сравнительно недавно (в первой четверти XX в.), и разные ученые вкладывали в него разное содержание. Одни рассматривали его буквально, считая экологической нишей только место обитания вида, другие сводили нишу к взаимоотношению вида с его пищей и врагами (так называемая «трофическая», т. е. пищевая, ниша). Обратим внимание на первое из приведенных выше определений. Оно отражает двойственный подход к пониманию ниши: е одной стороны, как отношение вида к экологическим факторам, а с другой — как место его обитания или местообитание вида, определение которого сходно с определением ниши. Местообитание вида — это пространственно ограниченная совокупность условий абиотической и биотической среды, обеспечивающая весь цикл развития особей (или группы особей) одного вида. Поскольку любое местообитание конкретного вида характеризуется в конечном счете составом и режимом множества экологических Рис ной низма 2.8. Модель фу н да мента л ь- экологической ниши орга- 69
факторов, то именно требования к этим факторам (определяемые пределами толерантности) составляют экологическую нишу. Естественно, что это относится как к абиотическим, так и к биотическим факторам. Американский биолог Дж. Хатчинсон всю совокупность требований вида к экологическим факторам назвал фундаментальной экологической нишей или многомерной (гиперпространственной) нишей. В таком понимании понятие ниши легко поддается графическому и математическому моделированию (рис. 2.8). В качестве примера графического моделирования ниши рассмотрим ее положение в некоем трехмерном пространстве, приняв, что организм имеет требования только к трем экологическим факторам: давлению Р, температуре Т и влажности В. Если отложить на осях координат пределц толерантности организма к каждому фактору (Р — Р', T — T't В —В') и спроецировать их с осей в пространство, то модель ниши будет представлять собой некоторый параллелепипед. Через то же начало координат можно провести и другие оси, создав как бы иное трехмерное пространство, определяемое требованиями, например, к освещенности С, химизму пищи X, кислотности среды Н. Понятно, что при аналогичном проецировании пределов толерантности с осей в пространство получающееся пространственное тело уже не будет параллелепипедом, причем его объем существенно уменьшится, приближаясь (при введении в модель и других факторов) к бесконечно малой величине. Из рисунка следуют три важных правила: 1. Чем шире требования (пределы толерантности) вида к любому или многим экологическим факторам, тем больше то пространство, которое он может занимать в природе, а значит, тем шире его распространение. 2. Сочетание требований организма к различным факторам не является произвольным: все организмы адаптированы к режимам сцепленных между собой, взаимосвязанных и взаимозависимых факторов. Второе правило иллюстрируется тем, что значения режимов двух любых факторов при моделировании могут быть выбраны на осях координат произвольно, но их проекции всегда пересекутся в пространстве, а положение третьего фактора на его оси зависит от двух других. Третье правило является следствием предыдущего (второго): 3. Если режим любого, хотя бы одного экологического фактора в месте обитания особей данного вида изменился таким образом, что его значения выходят за пределы ниши как гиперпространства, то это означает разрушение ниши, т. е. ограничение или невозможность сохранения вида в данном месте обитания. Последняя ситуация в настоящее время достаточно типична и связана с антропогенным преобразованием окружающей среды, в частности с локальным изменением режимов физических и химических факторов (загрязнением среды). С понятием экологической ниши связаны и другие важные закономерности. Во-первых, каждый вид имеет свою, только ему присущую экологическую нишу, т. е. сколько на Земле видов живых организмов, столько и экологических ниш. Во-вторых, два разных (даже очень близких) вида не могут занимать одну экологическую нишу в пространстве {теорема или принцип Г. Ф. Гаузе). 70
Если летом в еловом лесу сорвать с дерева шишку урожая текущего года и разрезать ее вдоль стержня, то в ней можно обнаружить множество самых разнообразных обитающих в ней насекомых. Казалось бы, в данном случае ниша (как местообитание) у них одна и та же. Фактически же оказывается, что одни живут и питаются внутри семян, другие — в стержне, третьи — образуют особые наросты (галлы) на чешуйках, прикрывающих семена. Следовательно, с точки зрения требований к экологическим факторам, у всех эти требования различны. Лес, поле, озеро, пруд и т. д. являются местами локализации множества экологических ниш (т. е. местообитаниями) — позвоночных и беспозвоночных животных, высших и низших растений, микроорганизмов. Вместе с тем, в таких условиях режимы всех экологических факторов разнообразны с точки зрения амплитуды их колебаний. Например, в лесу режимы всех абиотических факторов в приземном пространстве, непосредственно ниже полога крон или в верхней части полога совершенно различны. Освещенность и давление у поверхности воды в озере совершенно иные, нежели на глубине. Поэтому в природе всегда имеется много «свободных» экологических ниш, что и обеспечивает эволюционные процессы видообразования: эволюция организмов — это эволюция их требований к факторам среды, т. е. экологических ниш. Экологическая Человек — один из представителей царства жи- ииша вотных, биологический вид класса млекопитаю- человека гт щих. Несмотря на то, что ему присущи многие специфические свойства (разум, членораздельная речь, трудовая деятельность, биосоциальность и др.)» он не утратил своей биологической сущности и все законы экологии справедливы для него в той же мере, в какой и для других живых организмов. Человек имеет свою, только ему присущую, экологическую пишу, т. е. совокупность требований к множеству экологических факторов, выработанную в процессе эволюции. Пространство, в котором локализована ниша человека (т. е. место, где режимы факторов не выходят за пределы унаследованной от предков толерантности), весьма ограничено. Как биологический вид, человек может обитать только в пределах суши экваториального пояса (тропики, субтропики), где и возникло семейство гоминид. По вертикали ниша простирается примерно на 3,0—3,5 км над уровнем моря. Благодаря названным выше специфическим (в первую очередь социальным) свойствам, человек расширил границы своего начального ареала (местообитание), расселился в высоких, средних и низких широтах, освоил глубины океана и космическое пространство. Однако его фундаментальная экологическая ниша при этом практически не изменилась, и за пределами исходного ареала он может выживать, преодолевая сопротивление лимитирующих факторов не путем адаптации, а с помощью специально создаваемых защитных устройств и приспособлений (отапливаемые жилища, теплая одежда, кислородные приборы и т. п.), которые имитируют его нишу подобно тому, 71
как это делается для экзотических животных и растений в зоопарках, океанариях, ботанических садах. Тем не менее полностью воспроизвести все факторы, необходимые человеку с точки зрения закона толерантности, не всегда удается. Например, в космическом полете невозможно воспроизвести такой важнейший фактор, как гравитация, и после возвращения на Землю из длительной космической экспедиции космонавтам требуется время на реадаптацию. В условиях промышленных предприятий многие факторы (шум, вибрация, температура, электромагнитные поля, примеси ряда веществ в воздухе и др.) находятся периодически или постоянно за пределами толерантности человеческого организма. Это отрицательно сказывается на нем: могут возникать так называемые профессиональные заболевания, периодические стрессы. Поэтому существует специальная система технических и организационных мероприятий, направленных на обеспечение безопасности трудовой деятельности путем снижения уровня воздействия -на организм опасных и вредных экологических производственных факторов. Далеко не всегда удается обеспечить оптимальные режимы таких факторов, и поэтому для ряда производств ограничивается общий трудовой стаж работающих, сокращается продолжительность рабочего дня (например, при работе с ядовитыми веществами — до четырех часов). Специальные конструктивные приспособления создаются для снижения вибраций и шумов в кабинах транспортно-тяговых средств. Производственно-хозяйственная деятельность человека, использование (переработка) природных ресурсов неизбежно приводят к образованию побочных продуктов («отходов», рассеиваемых в окружающей среде. Поступающие в воду, почву, атмосферу, попадающие в пищу химические соединения являются экологическими факторами, а следовательно, элементами экологической ниши. По отношению к ним (особенно к верхним пределам) устойчивость человеческого организма мала, и такие вещества оказываются лимитирующими факторами, разрушающими нишу. Из сказанного следует второе основное правило охраны природы с экологических позиций. Охрана природы (и окружающей среды) состоит в системе мероприятий по сохранению экологических ниш живых организмов, включая человека. Таким образом, либо ниша человека будет сохранена для настоящего и будущих поколений, либо человек как биологический вид обречен на исчезновение. 72
Окружающая среда (как совокупность экологи- Экологическая ческих факторов) формирует морфологические, ф^рма*™1 физиологические, поведенческие признаки орга- низмов (фенотип). Эти признаки отражают приспособленность к тем или иным условиям обитания, и, изучая их, можно оценивать возможности интродукции, акклиматизации растений и животных, управления ими в интересах человека, Понятно, что виды, обитающие в сходных условиях среды, обладают и сходной приспособленностью к этим условиям, даже если они относятся к разным категориям в классификации животного и растительного мира. Поэтому в экологии существуют классификации организмов именно с этой точки зрения, а понятие «экологическая ниша» связано с понятием «экологическая (или жизненная) форма». Под жизненной формой вида понимают исторически сложившийся комплекс его биологических, физиологических и морфологических свойств, обуславливающий определенную реакцию на воздействие окружающей среды*. Классификаций организмов с точки зрения их жизненных форм существует множество. Например, всех беспозвоночных (насекомые, паукообразные, черви и др.) можно разделить на открыто живущих (экзобионты) и скрытно живущих (эндобионты). С другой стороны, среди них можно выделить геобионтов (обитателей почвы), герпетобионтов (живущих на поверхности почвы среди органических остатков), хортобионтов (обитателей травяного покрова), тамно- бионтов (связанных с кустарниковой растительностью), дендробионтов (связанных с древесными растениями). Среди обитателей водной среды (гидробионтов) классификация выделяет следующие жизненные формы. Бентос (от греч. бентос — глубина) — донные организмы, ведущие прикрепленный или свободный образ жизни, в том числе обитающие в толще донного осадка. Это преимущественно моллюски, некоторые низшие растения, ползающие личинки насекомых. Перифитон (от греч. пери — вокруг, около, фитон-~растение) — животные и растения, прикрепленные к стеблям высших растений и поднимающиеся над дном (моллюски, коловратки, мшанки, гидры и др.). Планктон (от греч. планктос — парящий) — плавающие организмы, способные совершать вертикальные и горизонтальные перемещения преимущественно в соответствии с движением водных масс. Планктон (фито- и зоопланктон) делится на сетной— улавливаемый мелкоячеистой сетью — и нанопланктон — обычно очень мелкие организмы, проходящие сквозь сеть. * В. В. Яхонтов. Экология насекомых. М.: Высшая школа, 1969. С. 71. 73
Нектон (от греч. нектос — плавающий)—свободно плавающие организмы, способные к самостоятельному вертикальному и горизонтальному перемещению — преимущественно рыбы, амфибии, крупные врдные насекомые, ракообразные. Ней стон (от греч. нейстон — способный плавать)'—совокупность морских и пресноводных организмов, которые обитают у поверхности воды, например личинки комаров, многие простейшие, клопы-водомерки, а из растений —хорошо известная ряска. Существует классификация жизненных форм растений по структуре и длительности существования надземных скелетных органов. Например, согласно классификации И. Г. Серебрякова выделяются древесные растения (среди них деревья, кустарники и кустарнички), полудревесные (полукустарники и полукустарнички) и травянистые растения, в свбю очередь подразделяющиеся на ряд типов. Экологическая форма — это отражение приспособленности самых различных в систематическом отношении организмов к отдельным экологическим факторам, выступающим в процессе эволюции в качестве лимитирующих. Например, деление растений на гигрофиты (влаголюбивые), мезофиты (средней требовательности к влаге) и ксерофиты (сухолюбивые) отражает их отношение к конкретному экологическому фактору — влаге. Однако среди ксерофитов можно обнаружить совершенно разные жизненные формы, направленные на сокращение потерь влаги. Одни, как например кактусы, обладают способностью сохранять и запасать ее, а другие (саксаул) —сформировались с адаптациями, направлелными на сокращение транспирации. Вместе с тем, с экологических позиций растения-ксерофиты могут быть объединены в одну экологическую форму с живот- ными-ксеробионтами, обитающими в пустынях и имеющими специфические адаптации к предотвращению потерь влаги (например, получение воды из жиров). 2.5. ПОПУЛЯЦИЯ И СТАЦИЯ ЕЕ ОБИТАНИЯ Рассматривая выше закон толерантности (рис. 2.6) и классификацию организмов по отношению к экологическим факторам (рис. 2.7), мы делали одно существенное допущение: оптимальные, лимитирующие и летальные значения экологических факторов на оси абсцисс были представлены в виде единичных точек. Это было бы правильно лишь в том случае, если бы эксперимент проводился с отдельным (единичным) организмом: одна особь всегда выживет или погибнет при определенном уровне фактора. Если же изучать воздействие какого-либо фактора (например, температуры) на группе организмов одного вида, то картина изменится: при одних и тех же значениях фак-i 74
тора он окажется лимитирующим, оптимальным или летальным не для всех особей одновременно. Одни погибнут или снизят жизненную активность при одной конкретной температуре, а другие — при немного более низкой, третьи — при более высокой. Поэтому на оси абсцисс для каждого значения фактора окажется не одна точка, а их совокупность (рис. 2.9), причем каждая точка будет отражать толерантность только одной особи из группы. А предел толерантности (или значение лимитирующего фактора) для всей группы будет равен некоторому среднему значению из положения всех точек (ГлетЬ т- е- от уровня устойчивости самой толерантной до уровня устойчивости самой неустойчивой особи (±ДГЛет). Суммарный уровень устойчивости ГЛет определяется уравнением: •* лет=== 'лет ± А* лет» (*Л) Иначе говоря, мы сталкиваемся с некоторым «размахом», амплитудой фенотипической изменчивости отдельных индивидуумов при их одинаковом генотипе. Подобные наследственные изменения признаков или свойств организмов называют модификациями, а выражение B.1) отражает возможную амплитуду этих изменений, т. е. нормы реакции. Аналогичные построения можно выполнить для нижнего (—Глет) предела толерантности и для любого другого уровня фактора на горизонтальной оси (в том числе, например, для +ГЛИМ или —Глим), а также применительно к любому другому экологическому фактору. В природных условиях экологические факторы изменяются во времени и пространстве, и в ряде случаев их уровни могут выходить за пределы не только среднего значения, но и нормы тояние сое Жизненное д\\ -Т - -J J* - Щ +Г -АТ-4*+ДТ T — Рис. 2.9. Схема, иллюстрирующая понятие нормы реакции вида на экологический фактор 75
реакции. Например (см. рис. 2.9), если й каком-либо водоеме повысится максимальная температура воды, то увеличится и ее среднее значение для данного отрезка времени. При этом фактор окажется лимитирующим или летальным для наименее устойчивой части индивидуумов из данной группы. Но и в целом группа выживет за счет более толерантных. Поэтому все живые организмы, для того чтобы выжить и дать потомство, должны в условиях динамичных режимов экологических факторов существовать в виде группировок, которые называются популяциями, т. е. совокупностями совместно обитающих особей, обладающих сходной наследственностью. Как известно, наследственная информация организмов концентрируется в половых клетках в особых образованиях — хромосомах в виде нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). Молекулы этих кислот или их отдельные участки и называют генами. Совокупность всех генов, определяющих наследственные признаки, является генотипом, а совокупность всех особей, хранящих и передающих по наследству эту информацию потомкам, представляет собой генетический фонд, или генофонд. Важнейшим признаком популяции является занимаемая ею общая территория. Но в пределах популяции могут быть более или менее изолированные по разным причинам группировки. Поэтому дать исчерпывающее определение популяции затруднительно из-за размытости границ между отдельными группами особей. Существует много определений для популяций в зависимости от того, какую именно группировку особей принимают во внимание: географическая популяция — это группа особей одного вида, населяющая территорию с однородными условиями существования, т. е. зону сходного благоприятствования *; экологическая популяция — группа разнополых, половозрелых и равноценных в отношении полового отбора особей, находящихся в таких условиях, где любые две особи этой группы могут с равной вероятностью скреститься друг с другом **; популяция — это исторически сложившаяся естественная совокупность особей данного вида (животного), связанная определенными взаимоотношениями и приспособлением к жизни в условиях определенного района или иного местообитания3*; популяция — это минимальная самовоспроизводящаяся группа особей одного вида, на протяжении эволюционно длительного времени населяющая определенное пространство, обрд- * Наумов Н. П. Экология животных. М.: Советская наука, 1955. С. 51. ** Майр Э. Популяции, виды, эволюция. М.: Мир, 1976. С. 96. 3* Кузнецов Б. А, Чернов А 3. Курс экологии. М.: Высш. шк., 1978. С. 49. 76
зующая самостоятельную генетическую систему и формирующая собственное экологическое гиперпространство*; популяция — это совокупность свободно и случайно скрещивающихся особей одного вида, занимающих общую территорию, и существующая неопределенно длительное время, пока и поскольку условия местообитания соответствуют нише этого вида. , Каждый вид состоит из одной или нескольких популяций, и популяция, таким образом, — это форма существования вида, его наименьшая эволюционирующая единица. Не каждая группа индивидуумов одного вида является популяцией. Возможны внутрипопуляционные группировки (демы) разного иерархического уровня, существующие ограниченное время или не отвечающие всем признакам, приведенным в определениях популяции. Популяция — это определенным образом организованная совокупность особей. Она имеет возрастную структуру, т. е. определенное соотношение численности индивидуумов разного возраста. У животных выделяют, например, ювенильную (детскую), сенильнур (старческую, не участвующую в воспроизводстве) и взрослую (особи, осуществляющие репродукцию) группы. Популяции свойственно также определенное соотношение полов, причем, как правило, количество самцов и самок различно (соотношение полов не равно 1:1). Известны случаи резкого преобладания того или иного пола, чередование поколений с отсутствием самцов. Каждая популяция может иметь и сложную пространственную структуру (рис. 2.10), подразделяясь на более или менее крупные иерархические группы — от географической до элементарной (микропопуляция). Выделяют и более мелкие стабильные группировки, способные к скрещиванию внутри себя или в пределах аналогичных соседних груп- Рис. 2.10. Пространственные подразделения популяций 1 — ареал вида; 2 — географическая популяция; 3 — экологическая, или местная, популяция; 4 — микропопуляция (элементарная). По И. Н. Пономаревой, 1975 * Яблоков А В. Популяционная биология. М.: Высш. шк., 1987. С. 150. 77
пировок. Таковы прайды у львов, стаи у волков и других представителей семейства собачьих, гаремы у ластоногих и т. п. Многим видам птиц присущ колониальный образ жизни (известные птичьи базары). У растений совокупности индивидуумов одного вида среди особей других видов называют ценопопуляциями. До сих пор речь шла о природных популяциях, находящихся в естественных местообитаниях. В результате хозяйственной деятельности человека образуются так называемые природно-антропогенные популяции, тесно связанные, например, с выращиванием сельскохозяйственных культур: многие насекомые, мышевидные грызуны, находя здесь свою нишу, в то же время адаптируют свою структуру, динамику численности к системе хозяйства. С эволюцией человеческого общества и образованием стабильных поселений человека возникли синантропные виды, популяции которых обитают в жилищах, в местах размещения отходов жизнедеятельности (клопы, тараканы, мухи, крысы, мыши и др.). Они могут быть вредителями, паразитами, переносчиками возбудителей опасных инфекционных заболеваний, т. е. выступать в качестве опасных экологических факторов. Охрана человека и окружающей его среды от таких организмов — объект деятельности санитарно-эпидемиологических служб. Многочисленные виды одомашненных или селекционно выведенных домашних животных и растений не могут считаться настоящими популяциями, так как всецело управляются человеком. Хотя в случае одичания домашние животные могут образовывать популяции в природных условиях. Используя в своих целях растительный и животный мир природы, человек всегда имеет дело с конкретными популяциями, меняя их численность, структуру и другие количественные характеристики. При этом последние могут оказываться в несоответствии с окружающей средой, что ведет к снижению интенсивности воспроизводства, а в ряде случаев к исчезновению популяции. Характерный пример — резкое снижение численности многих животных в результате промысла (добыча, охота, промысловый лов рыбы), что исключает возможность естественного самовоспроизводства популяции. Низкая численность таких популяций не допускает случайного (в статистическом смысле) скрещивания особей, не дает материала для естественного отбора. В результате падает уровень добычи, что в конечном счете отрицательно сказывается на хозяйственных интересах человека. Подобные виды, находящиеся под угрозой исчезновения и требующие специальных охранных мер, сейчас заносят в особые перечни — так называемые Красные книги. Крайний случай — полное уничтожение (геноцид) популяции или вида, что произошло, например, со странствующим голубем, стеллеровой коровой, европейским диким быком — туром и др. Иногда человек преднамеренно вытесняет и даже уничтожает «диких» животных в своих интересах, а также разрушает места обитания, т. е. места локализации экологических ниш. Дикая лошадь (тарпан) и дикий осел (кулан) исчезли в Азии не только из-за прямого преследования, но и вследствие скотоводства, распашки степей. Многие дикие копытные в Африке были не только вытеснены в процессе животноводства, но и специально уничтожены как носители (хозяева) возбудителей опасных заболеваний, переходящих на домашний скот. У растений происходят аналогичные процессы. Вырубка спелых лесов приводит к преобладанию в популяциях древесных пород молодняков, распашка земель и пастьба скота сделали редкими многие красивые цветковые растения. На основании всего изложенного мы можем сформулировать третье основное правило охраны природы с экологических позиций. 78
Охрана живой природы состоит в сохранении популяций живых организмов и мест их обитания, в обеспечении состава и структуры популяций, соответствующих конкретным условиям местообитания. Понятие Условия, удовлетворяющие экологическим ни- о стации шам живых организмов, при которых могут о итания стабильно существовать их популяции, реализуются в условиях конкретных природных систем. Существуют типичные обитатели лесных, степных, пустынных, пресноводных систем. Но и в пределах отдельной системы разные виды могут занимать разные участки пространства. Мы уже знаем, что каждый вид имеет только ему присущее место обитания, где локализована его экологическая ниша. Такие места обитания называют стациями (от лат. ста- цио — местообитание). Стация обитания — это участок территории, занятый популяцией вида и характеризующийся определенными экологическими условиями, отвечающими экологической нише данного вида. В данном определении присутствуют неопределенные понятия «участок», «территория», под которыми можно подразумевать разные объекты. Участком территории может быть и лесной массив, и поляна в пределах этого массива, и пограничная зона между лесом и полем (экотон). Более конкретным является следующее определение стации. Стация — это часть местообитания вида, которая характеризуется особыми экологическими условиями, необходимыми для существования данного вида, и используется либо в ограниченное время (сезонно, суточно), либо для ограниченных целей (для питания, переживания неблагоприятных ситуаций, размножения и др.) *. Таким образом, каждый вид может иметь специфический набор стаций, сменяемых в течение жизненного цикла. Поскольку вид существует в форме популяций, то стации обитания целесообразно дать следующее определение. Стация обитания вида — это конкретная экологическая система или некоторый ее фрагмент, в пределах которого обеспечиваются необходимые и достаточные условия, постоянно или периодически отвечающие требованиям экологической ниши данного вида, и устойчивое существование здесь его конкретной популяции. Близким к понятию «стация» является биотоп, под которым понимают пространство с более или менее однороднымц почвен- * Реймерс Н. Ф. Основные биологические понятия и термины. М.: Просвещение, 1988. С. 259. 79
ными и климатическими условиями, заселенные более или менее определенным сообществом организмов *. Как видим, понятие «стация» употребляется по отношению к популяции одного вида, а «биотоп» — относится к совокупности популяций разных видов, населяющих некоторую общую территорию, т. е. к б йоте. Так, биотопом популяций лесных видов животных и растений является лес. Более крупные территориальные единицы, являющиеся элементами географического ландшафта, носят название биохоров (от греч. хора — пространство). Иначе говоря, биохор — это совокупность сходных биотопов. Например, любые пустыни относятся к биохору пустынь, а любые лесные массивы объединяются в биохор — лес. Несмотря на то, что каждый вид обладает опре- Преферендум деленной экологической пластичностью, т. е. социальной может обитать в пределах более или менее ши- верности роких колебаний режимов экологических факторов и приспосабливаться к колебаниям тех или иных факторов, для него существует некоторый оптимум условий, при которых он наиболее продуктивно питается и размножается (см. разд. 2.3). Например, некоторые виды насекомых, способные питаться многими древесными растениями (полифаги), тем не менее наилучшим образом развиваются на какой-либо одной древесной породе. Эвритермные и гигрофильные растения, имеющие широкий ареал, максимальную биомассу (урожай) дают на сравнительно ограниченных территориях— с оптимальным режимом того или иного фактора. В интервале возможных и приемлемых для него значений физических или химических факторов организм (популяция) выбирает наиболее оптимальные (если, разумеется, такой выбор есть). Этот оптимальный интервал носит название префе- р е н д у м а (от лат. префере — предпочитать), который можно определить как предпочтение видом определенных границ того или иного фактора (в пределах более широкой толерантности). Можно говорить о трофическом, температурном, световом и другом преферендуме. Каждому виду (на уровне популяции или внутрипопуляци- онной группы) свойственны определенные стации обитания, в пределах которых создается оптимальное для него сочетание совокупности факторов, определяемых экологической нишей. Таким образом, каждый вид способен заселять конкретные стации обитания избирательно, на основании чего формулируется принцип стациальной верности. Для каждого вида набор приемлемых стаций обитания является его характерным признаком. * Яхонтов В. В. Экология насекомых. М.: Высш. шк., 1969. С. 37. 80
Вместе с тем для организма безусловно нежелательны широкие колебания режимов экологических факторов и, тем более, быстрые, резкие изменения. Поэтому он стремится обитать в таких стациях (или в отдельных точках биотопа), где колебания фактора по возможности медленны и нешироки. Отсюда нами формулируется принцип минимальной амплитуды колебаний фактора, согласно которому организм на любом этапе своего индивидуального развития предпочитает такой локус (место) в пределах биотопа, в котором обеспечивается минимальная амплитуда колебаний одного или нескольких экологических факторов*. Так, многим беспозвоночным двойственно развитие в скрытых местообитаниях (в плодах, под корой, под камнями, внутри стеблей и т. п.), где они защищены не только от резких перепадов температуры и влажности, но и от ультрафиолетового излучения** В пределах ареала того или иного вида его популяции закономерно изменяют и стации своего обитания. Так, при продвижении к северу один и тот же вид избирает сухие, хорошо прогреваемые открытые пространства, а по мере продвижения к югу — более влажные почвы, тенистые и прохладные места, в том числе под пологом леса. Аналогичная картина наблюдается в горных условиях, когда по мере изменения высоты над уровнем моря организмы располагаются на различных склонах, в зависимости от их ориентации по отношению к Солнцу. Этот процесс, представляющий собой закономерное изменение видами своих местообитаний в широком диапазоне ареала и времени, называется правилом смены стаций (или местообитаний). 2.6. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА (БИОГЕОЦЕНОЗ) Понятия Совокупность всех популяций разных видов, про- и определения живающих на общей территории вместе с окружающей их неживой средой, называют экологической системой или экосистемой. Примерами экосистем могут быть луг, лес, озеро. С этих позиций можно предложить, например, следующее определение леса: «Лес есть географически организованная подвижная саморегулирующаяся совокупность популяций растительных и животных организмов, ведущую средообразующую роль для которых играет популяция древесных растений одного вида или популяции нескольких видов». В нашей стране академиком В. Н. Сукачевым для обозначения подобных сообществ предложен (и общепринят) термин * Стадницкий Г. В. Принцип минимальной амплитуды и загрязнение среды биотопа. Сб.: Оптимальные местообитания растительноядных животных. Красноярск: Институт леса и древесины СО АН СССР, 1985. С. 6. ** В условиях сильного загрязнения воздуха промышленными выбросами в составе биоты беспозвоночных животных (например, насекомых, клещей и др.) начинают преобладать скрытноживущие виды: питающиеся внутри тканей листьев, стеблей, в свернутых листьях, галлах и т. п. 81
биогеоценоз (от греч. биос — жизнь, гео— Земля, ценоз — сообщество), составной частью которого является совокупность живых компонентов, или биоценоз. Биогеоценоз — это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологических условий), имеющая свою особую специфику взаимодействия этих слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией их между собой и другими явлениями природы, представляющая собой внутренне противоречивое диалектическое единство, находящееся в постоянном движении и развитии. Термины «экологическая система» и «биогеоценоз» не являются синонимами. Экологическая система есть любая совокупность организмов и окружающей их среды. Так, в качестве экосистемы можно рассматривать, например, горшок с цветком, террариум, фитотрон, пилотируемый космический корабль. У всех названных совокупностей организмов и среды отсутствует ряд признаков, приведенных в определении В. Н. Сукачева, и в первую очередь, элемент «гео» — Земля. Биогеоценозы — это природные образования. В то же время биогеоценоз может рассматриваться и как экологическая система. Таким образом, понятие «экосистема» шире, чем «биогеоценоз». Любой биогеоценоз является экологической системой, но не всякая экологическая система есть биогеоценоз. Экологическими системами являются сооружения биологической очистки сточных вод: аэротенки, биологические фильтры. Они представляют собой сообщества живых организмов, преимущественно бактерий и простейших, образующих так называемый активный ил. Каждый вид этих микроорганизмов занимает свою экологическую нишу и может существовать в определенных условиях. Вполне понятно, что эти экосистемы создаются и управляются человеком, ио он использует здесь в своих интересах биологические процессы. Комплексы организмов (биоценозы) образуются и на водозаборных и водосбросных сооружениях, и в ряде случаев, например при массовом развитии слизеобразующих бактерий и низших грибов, наблюдаются нарушения работы оборудования. Микрофлора биоценозов очистных сооружений (аэротенков) изменяется в результате поступления различных веществ и абсорбции их активным илом. Для обеспечения хорошей работы очистных сооружений человек должен управлять составом, активного ила. Структура ^ Биогеоценоз (рис. 2.11) включает две компонен- экологической ты: биотическую — сообщество живых раститель- системы ных и ЖИВ0ТНЫх организмов (биоценоз) — и абиотическую — совокупность неживых факторов среды (эко- топ). Русские значения греческих корней, образующих эти слова, нам уже знакомы. Биоценоз — это совокупность представителей растительного (фитоценоз), животного (зооценоз) мира и мира микроорганизмов (микробоценоз). Экотоп включает две главные составляющие: климат во всех его многообразных проявлениях и геологическую среду — почво-грунты, или эдафотоп (от греч. эдафос — почва). Все компоненты экотопа и биогеоценоза тесно связаны между собой, проявляют сложное и многостороннее взаимо- 32
Рис. 2.11. Структура биогеоценоза По В. Н. Сукачеву, 1972 влияние. Примерами биогеоценозов могут быть пруд, луг, смешанный или однопородный лес. На уровне биогеоценоза происходят все процессы трансформации энергии и вещества в биосфере. Не случайно академик С. С. Шварц назвал биогеоценоз «машиной по трансформации вещества и энергии». Преобразующая антропогенная деятельность направлена прежде всего именно на биогеоценозы (экосистемы). Экологические системы, как наземные, так и водные, не являются совершенно однородными структурами как в пространстве, так и во времени. Наземные экосистемы являются многоярусными, т. е. для них характерно вертикальное расслоение на разновысокие структурные части. Так, в лесу соответственно размещению корней, стволов, крон деревьев можно выделить ряд ярусов: деревья первой величины, второй величины, подрост (молодняк), подлесок из кустарников, живой напочвенный покров (травянистые растения, кустарнички, мхи)* Аналогичным образом можно расчленить и луговые сообщества. Животные, обитающие в лесу, также занимают различные ярусы, в которых локализованы их экологические ниши. В пределах каждого яруса выделяются более или менее обособленные группировки растений разных зидов и связанных 83
с ними животных. Такие группировки называют биогеоце- нотическйми синузиями (от греч. синузия — совместное пребывание). Синузия биогеоценотическая — это структурная часть биогеоценоза, которая характеризуется специфическим составом и свойствами составляющих ее компонентов, тесными внутренними- взаимовлияниями, общностью взаимодействия и обмена веществом и энергией при сохранении целостности биогеоценоза в целом. Примерами могут служить группировки растений травянистого яруса, кустарников, а в водной среде — синузия планктона и-ли придонных обитателей. Внутренняя неоднородность биогеоценоза связана с особенностями мезо- и микрорельефа, влияющего на структуру почвы,, динамику влажности, температуры, освещенности. Поэтому растения в пределах биогеоценоза (или синузии) могут расти группами и в то же время чередоваться с более или менее открытыми полянами (например, из-за «окон» в пологе крон высоких деревьев). В подобных случаях говорят о парцелляр- ности биогеоценоза (от франц. парцелле — клетка). Парцелла — это структурная часть горизонтального расчленения биогеоценоза, охватывающая всю его толщу и выделяемая по плотности населения отдельных видов растений и особенностями микросреды обитания. В пределах биогеоценоза (а также и синузии и парцеллы) выделяют также консортивные группировки (от лат. консорциум — соучастие), или консорции, состоящие из одной крупной особи (животного или растения), выступающего в качестве «ядра». Так, совокупность всех организмов (птиц, насекомых, лишайников и др.), связанных с елью, может рассматриваться как консорция ели. Консорция может быть рассмотрена и как ячейка пищевой (энергетической) цепи, включающая особь или популяцию растения, консументов всех уровней, а также редуцентов. Участие различных видов в составе сообщества также неодинаково: некоторые виды преобладают, или доминируют, занимая ведущее положение (например, деревья главной лесооб- разующей породы); виды, живущие за счет доминантов, называются предоминантами. Кроме того, в биогеоценозе могут быть и так называемые эдификаторы, которые не просто доминируют здесь, а играют роль «образователей» сообщества, определяя режим температуры, влажности, освещенности, специфику почвенно-грунтовых условий. Водные экосистемы делятся на две большие группы: непроточные водоемы, или лентическая среда (от лат. лентус — спокойный), к которым относятся озера, пруды, болота, и про- 34
точные водоемы, или лотические (от лат. лотус — омывающий) , к которым относятся реки, ручьи. Специфика водной среды обитания определяется многими факторами, прежде всего — термодинамическими характеристиками воды. Так, ее удельная теплоемкость в 3000 раз выше, чем воздуха, скрытая теплота плавления больше, чем любых других веществ (для превращения в воду 1 г льда необходимо затратить 335 Дж). Вода имеет самую высокую из известных веществ теплоту парообразования: для испарения 1 г воды при температуре + 100°С затрачивается почти 2,260 кДж, а при 0°С — 2,493 кДж. Плотность воды A г/см3) самая большая при температуре +4°С, а не при 0°С. При температуре выше или ниже +4 °С вода увеличивается в объеме, а ее плотность снижается. Воды разных водоемов характеризуются определенной прозрачностью, светопропускной способностью (солнечный свет проникает в толщу воды сравнительно неглубоко), скоростью перемещения (течения), соленостью, содержанием растворенных газов. Давление воды увеличивается с глубиной, разные участки водоемов и водотоков по-разному удалены от берегов. Все эти обстоятельства (наряду с многими другими) влияют на распределение и распространение населяющих воду живых организмов, одни из которых обитают на глубине, другие — у поверхности, третьи — в толще воды. В лентическом водоеме можно выделить три главных зоны (рис. 2.12): литоральную — мелководные участки, где свет проникает до дна, и где обычно располагаются высшие растения и некоторые водоросли; лимническую — т. е. толщу воды, до глубины которой проникает активный свет, и, наконец, третью зону — профундаль, куда свет обычно не проникает. Ниже лимнической зоны накопление биомассы невозможно, поскольку здесь процессы фотосинтеза и дыхания выравниваются, компенсируются. Нижняя граница лимнической зоны носит название компенсационного горизонта. До этого горизонта в толщу воды проникает около 1 % света. В зависимости от глубины и строения водоема профундальная и литоральная зоны могут отсутствовать. Как и в любых других, в водных экосистемах присутствуют автотрофные организмы (продуценты), фаготрофы (макрокон- сументы) и сапротрофы (микроконсументы), выполняющие преимущественно роль разрушителей органического вещества. В реках и ручьях различают в основном две зоны: мелководные перекаты и глубоководные плесы. Каждой из этих зон свойственны свои обитатели и свои сообщества организмов (биоценозы). 85
Q. 1 \ \ ч Литоральная » \ N зона \ \ \ Ч \ \ \ рьн зона | \ \ ч \ \ > Лимническая зона \ \> _\ Компенсационный горизонт Просрцндальная зона Рис. 2.12. Три главные зоны в экосистеме непроточного водоема По Ю. О думу, 1975 Лентические и лотические водоемы весьма разнообразны по своей структуре. Каждому из них присущг сложная сезонная динамика температуры, определяющая размещение экологических ниш. Движение воды, особенно в лотических водоемах, связанное с ее скоростью, турбулентностью, определяет передвижение и локализацию выбрасываемых веществ, специфику их осаждения, разложения, процессы самоочищения, закономерности эвтрофирования. 2.7. ЭНЕРГЕТИКА И ПРОДУКЦИЯ ЭКОСИСТЕМЫ Образование первичного органического вещества Первичная продукция на Земле создается в клетках зеленых растений под воздействием солнечной энергии (фотосинтез), а также некоторыми другими организмами (бактериями вследствие химических процессов — хемосинтез). Процесс фотосинтеза состоит в том, что в результате сложных химических реакций такие вещества как вода и диоксид углерода соединяются в молекулы Сахаров (в частности, глюкозы) с выделением свободного кислорода. Согласно второму началу термодинамики, любые виды энергии в конечном счете переходят в тепловую форму и рассеиваются. Многие химические реакции связаны с выделением сво- 86
бодной энергии, т. е. с рассеиванием ее по градиенту. Для того чтобы могли совершаться жизненные процессы (работа), энергия солнечного излучения должна накапливаться в экосистеме Против термодинамического градиента. Суть фотосинтеза состоит в том, что происходит увеличение свободной энергии в органическом веществе за счет преобразования энергии фотона солнечного света (hv) * в энергию химических связей органического вещества (Q): 6СО2 + 6Н2О ^=± C6Hi206 Схематически .этот процесс представлен на рис. 2.13. Замечательной особенностью специфических органических соединений клетки (пигментов) является то, что усваиваемая ими энергия фотонов не деградирует в тепловую, не раесеива- ется в пространстве, а наоборот — в последовательной цепи химических реакций преобразуется в энергию связей химических веществ, синтезируемых при этих процессах. К. А. Тимирязев писал, что все органические вещества, сколь бы разнообразны они ни были и где бы они ни находились (в растении, животном),— прошли через зеленый лист. Таким образом, растения непрерывно усваивают из атмосферного воздуха огромное количество диоксида углерода (около 200 млрд т/гоД) и выделяют 145 млрд т свободного кислорода, образуя более 100 млрд т органического вещества Именно им мы обязаны стабильностью газового состава атмосферы, а так^ке сохранением определенного газового баланса. Общее количество запасаемой растениями ежегодно энергии оценивается значением 20,9-1022 кДж. В приведенной выше реакции фотосинтеза органическое вещество не сразу полимеризуется в сахар. Первичным продуктом является так называемая фосфоглицериновая кислота (ФГК), превращающаяся в фосфоглицериновый альдегид в результате присоединения молекулы СОг к рибулезодифосфату СН2О(Р), т. е. при карбоксилировании. Далее, в результате сложных химических процессов образуется фруктоза, являющаяся исходным материалом для образования других видов углеводов. Кроме того, синтез органического вещества может осуществляться бактериями. Источником углерода для них является диоксид углерода, восстанавливающийся за счет молекулярного водорода или водорода, входящего в состав сероводорода или какого-либо иного неорганического вещества. Считается, что именно фотосинтез бактерий был первичным биологическим процессом на Земле, первым этапом развития автотрофности. * Энергия фотона определяется»как произведение связанной-с ним частоты v на постоянную Планка /г, равную 6,62-10~34 Джс. 87
Зеленый лист, состоящий аз миллионов клеток Плеши соЬрнт хщапг.аш» Фотон солнечного света взаимодействует с молекулой хлорофилла, в результате чего высвобождается электрон одного из её атомов Электрон перемещается внутри хлоропласта ^ЗзаимодейС/пВу я С молекулой аденозинди^россрата (АДФ) В результате молекула АДФ получает достаточную дополнительную энергию для превращения в молекулу аденозинтри - сроссрата - вещества, являюще гося знер гоносителем +Н20 он н он он он он АПЛ \ I I I I I г он н н н- н Возбуженная молекула АТФ 6 живой клетке, содержащей воду и диоксид углерода, способствует образованию молекул сахара и кислорода. При этом АТФ утрачивает часть энергии и* превращаемся вновь в АДФ
Рис. 2.13. Упрощенная схема фотосинтеза По Де Санто, 1978 Бактерии, использующие для образования органического вещества процессы, связанные с окислением соединений серы и других элементов, относят к хемосинтетикам. Синтез органического вещества бактериями может осуществляться как с использованием света, так и без него. По сути своей это процессы хемосинтеза, хотя например, пурпурные и зеленые бактерии способны поглощать солнечную энергию с отдачей атома водорода. В отличие от воды при настоящем фотосинтезе, донором водорода служит сероводород, а кислород при этом не выделяется: Некоторые сине-зеленые водоросли синтезируют углеводы в отсутствие света, получая энергию за счет окисления сероводорода до серы или серы до сульфата (SOl). Высвобождаемая энергия используется для превращения диоксида углерода в глюкозу. Особую группу хемосинтетиков образуют так называемые нитрифицирующие бактерии. Они получают необходимую энергию за счет окисления таких соединений как аммиак, водород, соединения железа (II) без участия энергии Солнца. Например, бактерии нитрозомонас окисляют аммиак до азотистой кислоты, которая далее превращается в азотную с участием нитро- бактера: 2NH3 + ЗО2 = 2HNO2 + 2Н2О + 660 кДж, 2HNO2 + О2 = 2HNO3 + 158 кДж. Существуют также бактерии, способные образовывать свое вещество в процессе окисления двухвалентного железа до трехвалентного с последующим использованием энергии на восстановление диоксида углерода (железо- или ферробактерии). Живые организмы, входящие в состав биоцено- Трофические За, неодинаковы с точки зрения специфики асси- трофические миляции ими вещества и энергии. Животные, уровни в отличие от растений и бактерий, не могут осуществлять реакции фото- и хемосинтеза, а вынуждены использовать солнечную энергию опосредованно — через органическое вещество, созданное фотосинтетиками. Таким образом, в биогеоценозе образуется цепь последовательной передачи вещества и эквивалентной ему энергии от одних организмов к другим, или так называемая трофическая цепь (рис. 2.14). 89
Блок продуцентов (автотрофных) Минерализация, перевод в ионные формы: N,P,K,SHAp. Блок консументов (гетеротрофных) Опад листьев, хвои, отмирание отдельных особей и их частей Отбросы, остатки пищи, трупы Отбросы, остатки пищи трупы Блок редуцентов (деструкторов) Дыхание Рис, 2.14. Простая пищевая цепь в экосистеме
Поскольку растения строят свой организм без посредников, их называют самопитающимися, или автотрофами. Так как, будучи автотрофами, они создают первичное органическое вещество, продуцируя его из неорганического, они носят название продуцентов. Организмы, которые не могут строить собственное вещество из минеральных компонентов, вынуждены использовать то, что создано автотрофами, поедая их. Они называются поэтому ге- теротрофами, что означает «питаемый другими», или кон- сументами (от лат. консумо — потреблять). Однако далеко не вре организмы могут для удовлетворения своих физиологических потребностей ограничиваться потреблением растительной пищи, строя белки своего тела непосредственно из белков растений. Многим видам эволюция предопределила необходимость использования животных белков со специфичным набором аминокислот. Это — животные плотоядные. Они также являются консументами, но в отличие от растительноядных — консу- ментами вторичными (или второго порядка). На этом трофическая цепь может не закончиться, и вторичный консумент может служить источником пищи для консумента третьего порядка и т. д. (рис. 2.14). Например, в дубовом лесу первичным образователем и накопителем вещества и энергии являются деревья дуба. Ими питаются растительноядные насекомые, например гусеницы опасного вредителя из отряда бабочек — непарного шелкопряда. Но на гусеницу нападают другие насекомые, откладывающие свои яйца в ее тело. Личинки таких насекомых-паразитов развиваются за счет питания тканями гусеницы. В свою очередь, эти паразиты могут поедаться другими насекомыми (вторичными паразитами). Как видим, в экологической системе прослеживается четкая последовательность в развитии одних организмов за счет других, своего рода цепь, состоящая из различных звеньев. Но эта цепь в некоторых звеньях может видоизменяться, поскольку гусеницами могут питаться разные птицы. Цепи могут быть относительно простыми, короткими, например «осина — заяц — лиса», и более сложными, например «трава — насекомые — лягушки — змеи — хищные птицы». Разные трофические цепи связаны между собой общими звеньями в очень сложную систему, которая носит название трофической сети. Очевидно, что звенья (и входящие в них организмы), образующие пищевую, или трофическую, цепь, неравнозначны, в первую очередь, с точки зрения занимаемого места. Поэтому в экологии принято говорить не просто о звеньях цепи, а об определенных трофических уровнях. На первом уровне, очевидно, находятся зеленые растения — продуценты; следующий трофический уровень составляют растительноядные организмы; за ними следуют представители более высокого уров- 91
ня — плотоядные организмы, которые, в свою очередь, служат источником питания для следующего уровня — плотоядных второго порядка. Тогда рассмотренную выше цепь можно записать следующим образом: «дуб — непарный шелкопряд — паразит — вторичный паразит». В процессе питания на всех трофических уровнях образуются «отходы». Зеленые растения ежегодно частично или полностью сбрасывают листья. Значительная часть организмов по тем или иным причинам постоянно отмирает. В итоге так или иначе все созданное органическое вещество должно замениться в результате минерализации органики. Это происходит благодаря наличию в экосистеме особых трофических цепей — цепей деструкторов, разрушителей. Эти организмы — преимущественно бактерии, грибы, простейшие, мелкие беспозвоночные— разлагают органические остатки всех трофических уровней продуцентов и консументов до минеральных веществ. Понятно, что разлагающиеся органические остатки служат пищей деструкторам. Эти организмы называются сапрофагами (от греч. сапрос — гнилой, фагос — пожиратель) или биоредуцентами (от лат. редуцио — возвращаю). Минеральные вещества, а также диоксид углерода, выделяющийся при дыхании сапрофагов, опять-таки поступают в распоряжение продуцентов- (см. рис. 2.14). Растительные остатки, поступающие в почву, включают примерно 45 % кислорода, 42 % углерода, около 6,5 % водорода и примерно 1,5% кальция, кремния, калия и фосфора (так называемых зольных элементов). Особенно велика роль микроорганизмов в процессах разложения мертвого органического вещества в почве. На 1 га черноземной почвы масса бактерий достигает сотен килограмм. Бактерии, как известно, делятся на аэробные и анаэробные. Первые используют для дыхания свободный кислород, а вторые — отбирают кислород из каких-либо соединений, например оксидов. Процессы преобразования органического вещества весьма разнообразны. Например, целлюлоза под влиянием микроорганизмов разрушается либо до диоксида углерода и воды (в присутствии кислорода), либо до водорода и метана (в анаэробных условиях). Продуктами разложения лигнина могут быть органические (гуминовые) кислоты. Смолы и жиры подвергаются окислению до СО2 и Н2О, но в анаэробных условиях практически не разлагаются. В аэробных условиях минерализация органики идет интенсивно, но такие условия, как правило, создаются редко и чередуются с анаэробными, при которых возможно накопление промежуточных продуктов. Азотсодержащие вещества (белки, например) подвергаются процессу аммонификации, связанному с образованием аммиака, а далее — солей аммония, доступных в ионной форме для асси- 92
змиляции растениями. Однако часть аммиака под воздействием нитрифицирующих бактерий подвергается нитрификации, т. е. окислению сначала до азотистой, далее — азотной кислбты, а далее — при взаимодействии последней с основаниями почвы— происходит образование солей азотной кислоты. В каждом процессе участвует особая группа бактерий. В анаэробных условиях соли азотной кислоты подвергаются денитрификации с образованием свободного азота. Энергетика Трофическая цепь в биогеоценозе есть одновре- я продукция менно цепь энергетическая, т. е. последовательный упорядоченный поток передачи энергии Солнца от продуцентов ко всем остальным звеньям (рис. 2.15). Энергия определяется как способность производить работу и выражается в джоулях (Дж) или килоджоулях (кДж). Раньше ее обычно выражали в калориях или килокалориях, причем 1 ккал = 4,19 кДж. Один грамм сухого органического вещества растения в среднем соответствует (содержит) 18,7 кДж D,5 ккал) энергии. В более богатых белками и жирами семенах Рис. 2.15. Поток энергии в пищевой цепи ОПЭ — общее поступление солнечной энергии; НЭ — неиспользованная экосистемой энергия; С — энергия, поглощенная растениями; Н — часть энергии (с первичной продукцией), использованная организмами трофических уровней; СН — часть поглощенной энергии, рассеянная в тепловой форме; Д1, Дг, Дз — потери энергии на дыхание: Э — потери вещества в форме экскрементов и выделений; Пв — валовая продукция продуцентов; 111 — чистая первичная продукция; П2 и П3 — продукция консументов; в круге показаны биоредуценты — деструкторы мертвой" органики. По Ю. Одуму, 1975 93
растений энергетический эквивалент выше — около 20,0 кДж/г. Один грамм сухого вещества позвоночного животного (мяса) заключает 23,5 кДж E,6 ккал). Организмы-потребители (консументы), питаясь органическим веществом продуцентов, получают от них энергию, частично идущую на построение собственного органического вещества и связывающуюся в молекулах соответствующих химических соединений, а частично расходующуюся на дыхание, теплоотдачу, выполнение движений в процессе поиска пищи, ускользания от врагов и т. п. Таким образом, в экосистеме имеет место непрерывный поток энергии, заключающийся в передаче ее от одного пищевого уровня к другому. В силу второго закона термодинамики этот процесс связан с рассеиванием энергии на каждом последующем звене, т. е. с ее потерями и возрастанием энтропии. Понятно, что это рассеивание все время компенсируется поступлением энергии от Солнца. В процессе жизнедеятельности сообщества создается и расходуется органическое вещество. Это значит, что каждая экологическая система обладает определенной продуктивностью. Продуктивность оценивают, соотнося массу вещества (продукцию) с некоторой единицей времени, т. е. рассматривая ее как скорость образования вещества (биомассы). Основная, или первичная, продуктивность системы определяется как скорость, с которой лучистая энергия Солнца усваивается организмами-продуцентами, т. е. в основном зелеными растениями в процессе фотосинтеза. Например, если за год в результате фотосинтеза растительные организмы леса образовали 5 тонн органического вещества на 1 га, то это и будет общая, или, как говорят, валовая первичная, продуктивность. Однако в процессе жизнедеятельности растений часть созданного вещества расходуется на дыхание, и, следовательно, в единицу времени на единице площади накапливается меньше биомассы, чем ее было создано. Скорость накопления вещества экологической системой за вычетом того рещества, которое израсходовано на дыхание, образует фактическую, или чистую первичную, продуктивность сообщества. Чистая первичная продукция оказывается доступной консументам — растительноядным организмам и через них — плотоядным. Они тоже образуют органическое вещество за счет чистой первичной продукции, но сами создавать органику из неорганического вещества они не могут. Продуктивность (и продукция) консументов носит название вторичной продуктивности. Есть расчеты, показывающие, что 1 га некоторого леса воспринимает ежегодно в среднем 2,1-109 кДж энергии Солнца*. 94
Однако, если все запасенное за год растительное вещество сжечь, то в результате мы получим всего 1,1-106 кДж, что составляет менее 0,5 % от поступившей энергии. Это значит, что фактическая продуктивность фотосинтетиков (зеленых растений), или первичная продуктивность, не превышает 0,5%. Вторичная продуктивность исключительно низка: при передаче от каждого предыдущего звена трофической цепи к последующему теряется 90—99 % энергии. Если, например, на 1 м2 поверхности лочвы растениями создано за сутки количество вещества, эквивалентное примерно 84 кДж, то продукция первичных консу- ментов составит 8,4кДж, а вторичных — не превысит0,8кДж**. Есть конкретные расчеты, что для образования 1 кг говядины, например, необходимо 70—90 кг свежей травы. Ежегодно на суше растения образуют (в расчете на сухое вещество) 0,17-1012 т биомассы, эквивалентной 3,2-1018 кДж энергии. С учетом того, что затрачено на дыхание, суммарная энергетическая «работоспособность» наземной растительности составит около 4,2-1018 кДж. Мы рассматривали продуктивность отдельных звеньев экосистемы в энергетических единицах. Однако ее можно выразить в единицах массы или численностью особей, присутствующих в экосистеме в тот или иной момент времени. Например, биомасса листвы спелого дубового леса может составлять 4— € т/га, древесины — 300—500 т/га, а для теплокровных животных— килограммы или граммы. Следует различать продуктивность текущую и общую. Пусть, например, 1 га соснового леса в некоторых конкретных условиях способен за время своего существования и роста образовать 200 м3 древесной массы — это общая продуктивность. Однако за один год такой лес создает всего 1,7—2,5 м3 древесины. Этот показатель есть текущая продуктивность, или годичный прирост. Продуктивность экологических систем и соотношение в них различных трофических уровней принято выражать в форме пирамид. Первая пирамида была построена Ч. Элтоном и носит название пирамиды Элтона, или пирамиды чисел (рис. 2.16). Пирамиды наглядно иллюстрируют соотношение биомасс и эквивалентных им количеств энергии в каждом звене пищевой цепи (рис. 2.17) и используются в практических расчетах при обосновании, например, необходимых площадей под сельскохо- * Здесь и далее некоторые, величины заимствованы из книг: Я. Дю- виньо, М. Танг. Биосфера и место в ней человека. М.: Мир, 1973 и Я. Я. Второе, Н. Н. Дроздов. Рассказы о биосфере. М: Просвещение, 1976. ** Положение, согласно которому не более 10 % энергии поступает от каждого предыдущего трофического уровня к последующему, называется правилом десяти процентов или принципом (законом) Линдемана. 95
1000 Рис. 2.16. Пример пищевой цепи в дубовом лесу, представленный в виде пирамиды Элтона (или пирамиды чисел) Рис. 2.17 Пищевая цепь в водной экосистеме По Де Санто, 1978 хищники к«неумен ты П порядка хищники консу- менты I порядка тельноядные коне у- менты первичные Водоросли проду центы
Таблица 2.1. Годовая первичная продуктивность наземных экосистем По П. Дювиньо и М. Гангу, 1973 Экосистема Площадь млн км2 Масса органического вещества за год т/га общее количество на суше, млрд т Запас энергии, кДж-10»6 Леса Обрабатываемые земли Степи и луга Пустыни Полярные зоны 40,6 14,5 26,0 54,2 12,7 28 10 17 36 9 7 6 4 1 0 28 8 10 5 0 ,4 „7 ,4 Л 47,9 14,7 17,6 9,2 — Итого 148 100 - 52,9 89,4 зяйственные культуры с тем, чтобы обеспечить кормами скот, а следовательно — потребность населения в животном белке. Различные экологические системы характеризуются различной продуктивностью, что следует учитывать при освоении тех или иных территорий, например под сельскохозяйственное пользование. Продуктивность экосистемы зависит от ряда факторов, в первую очередь от обусловленной климатическими условиями обеспеченности теплом и влагой (табл. 2.1 и 2.2). Наиболее продуктивными являются экосистемы мелководных лиманов. Продуктивность — важнейшее для человека свойство биосферы, зависящее от продуктивности слагающих ее естественных и антропогенных экологических систем. Благодаря способности экосистемы производить биомассу человек получает необходимые ему пищевые и многие технические ресурсы. Проблема обеспечения численно растущего человечества пищей — это, в сущности, проблема повышения продуктивности сельского хозяйства. Таблица 2.2. Продуктивность лесов земного шара По Я. Дювиньо и М. Тангу, 1973 Леса Площадь, млн км2 Продуктивность по углероду в год, кг/га Суммарная годовая продукция по углероду, млрд т Хвойные Лиственные Тропические 10,0 4,9 14,7 2500 2500 7000 2,5 1,2 10,3 97
Воздействие человека на экологические системы (биогеоценозы) , связанное с их разрушением или загрязнением, непосредственно ведет к прерыванию потока энергии и вещества, а значит — к снижению продуктивности. Например, из-за задымления и снижения прозрачности воздуха может образоваться барьер между потоком солнечной энергии и воспринимающими ее продуцентами. Вредные вещества в атмосфере могут привести к гибели части ассимиляционного аппарата растений. Спекание подстилки и гибель редуцентов в результате массового оседания на почву токсичных отходов прервет возврат минеральных компонентов в трофические цепи. Поэтому охрана окружающей среды может рассматриваться и как система мероприятий, направленных на предотвращение снижения продуктивности биосферы. Только в том случае, если будет решена эта задача, окажется эффективной вторая важнейшая задача — повышение продуктивности. 2.8. ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭКОСИСТЕМАХ Экологическая система (биогеоценоз) не является абсолютно стабильным, застывшим образованием. В ней постоянно осуществляются жизненные процессы, связанные с переходом вещества и энергии с одних пищевых уровней на другие, с изменением численности и плотности популяций в результате взаимодействия хищников с жертвами, а жертв — с источниками их корма. Биоценоз экосистемы изменяется под воздействием,факторов экотопа, причем эти воздействия обладают различной интенсивностью и скоростью (например, биотические и геологические круговороты). Вместе с тем мы прекрасно знаем, чтол подвижность экосистемы также относительна: экосистемы таежных лесов или целинных степей существуют длительное время (сотни лет) и, на первый взгляд, стабильны, устойчивы, неподвижны. За короткий отрезок времени в них трудно обнаружить значительные изменения в составе биоты или режимах абиотических факторов, хотя в отдельных случаях массовые размножения некоторых видов животных (например, лесных насекомых) существенно трансформируют экосистему на тот или иной отрезок времени, а иногда служат толчком к ее замене на другую. Таким образом, мы сталкиваемся с тем фактом, что экосистемы, с одной стороны, действительно стабильны, а с другой — подвижны, динамичны во времени и пространстве. Очевидно, что если бы экосистемы существовали в течение короткого времени, быстро заменяясь другими, то они не могли бы накапливать вещество и энергию, не могли бы служить стабильным местом локализации экологических ниш. 98
Подвижно-стабильное состояние биогеоценозов (экосистем) во времени и пространстве представляет собой интегральный результат двух процессов: гомеостаза и сукцессии. Важнейшим свойством биогеоценоза (экосисте- биогеоценоза мы) является его устойчивость, сбалансированность происходящих в нем процессов обмена веществом и энергией между всеми компонентами, вследствие чего биогеоценозу свойственно состояние так называемого подвижного равновесия, или гомеостаза (от греч. гомео — тот же, подобный, стазис — состояние). С точки зрения науки управления, именуемой кибернетикой, гомеостаз обеспечивается механизмами так называемой обратной связи. Принцип обратной связи заключается в том, что некоторый управляющий компонент той или иной системы получает данные (информацию) от управляемых компонентов, используя эту информацию для внесения коррективов в дальнейший процесс управления *. Сущность принципа обратной связи удобно пояснить на примере известного всем термостата — прибора, поддерживающего некоторую заданную температуру, которая в данном случае представляет собой управляемую величину. Управление зависит от обратной связи. Управляемая величина (температура) зависит от входа, т. е. от поступления теплоты в помещение от исполнительного элемента (печи). При этом, если вход постоянен, то температура будет возрастать (положительная обратная связь). Эта форма обратной связи усиливает отклонение от некоторой заданной нормы, и при определенных условиях может произойти перегрев системы (а в экосистеме, например,— катастрофическое возрастание численности популяции того или иного организма). Датчик, установленный на выходе, фиксирует происходящие изменения и осуществляет соответствующую корректировку, например включение или выключение печи, в чем проявляется отрицательная обратная связь, уменьшающая отклонения, компенсирующая их (рис. 2.18,а). Тот же принцип действует и в естественных экологических системах. Рассмотрим условную экосистему, состоящую из популяций двух видов: оленя и волка — пример, который" приводится очень часто во многих курсах экологии (рис. 2.18,6). В этой системе, где волки поедают оленей, последние, на языке биологии, являются жертвами, в то время как волк есть хищник. Если численность жертвы постоянно растет, то хищник, который только этой жертвой и питается, тоже имеет возможность увеличить свою численность (или в соответствии с рассмотренными выше понятиями — увеличить объем и совершенствовать структуру популяции). В этом проявляется положи- * Винер Н. Кибернетика. М.: Прогресс, 1983. С. 162—187. 99
Заданный уровень или "стандарт" Датчик (термостат) Цепь Исполнительный элемент (печь) Отрицательная обратная связь ВХОД ВЫХОД Управляемая величина (заданная температура в помещении) Рост популяции хищника (волк) Рост популяции жертвы (олень) Рост популяции хищника + Рост популяции жертвы Рост популяции кормового растения Рис. 2.18. Элементы кибернетики в применении к биогеоценозу Л — система регуляции, аналогичная термостату, с использованием отрицательной обратной связи для поддержания заданной температуры; Б —• взаимодействие положительной (+) и отрицательной (—) обратных связей в системе хищник — жертва как объяснение механизма гомеостаза в экосистеме; В — взаимодействие положительных и отрицательных обратных связей в пищевой цепи хищник — жертва — корм жертвы. Масштаб биомасс на трофических уровнях не соблюден. По Ю. Одуму, 1975
тельная обратная связь. Но поскольку хищник (волк), ест оленей, то он, естественно, снижает численность популяции оленя. В этом проявляется отрицательная обратная связь. Если численность волка выше некоторого предела, то он соответственно снизит численность оленя и в итоге окажется перед необходимостью ограничения собственной численности из-за недостатка пищи, связанного с затрудненностью ее добычи. То же самое происходит с насекомыми, питающимися листьями деревьев. Пока биомасса листьев имеется в избытке, могут размножаться и насекомые (положительная связь). Но резкое возрастание численности насекомых ведет к снижению биомассы листьев (обратная связь) и вызывает гибель самих насекомых из-за нехватки пищи. В естественной экологической система все время поддерживается равновесие, исключающее необратимое уничтожение тех или иных звеньев в трофических цепях. Численность и волка и оленя всегда будет держаться на определенном уровне. Это является следствием длительного эволюционного процесса, который Дарвин назвал естественным отбором. Любая экосистема всегда сбалансирована, устойчива (гомеостатична). Понятно, что если бы волки могли съесть всех оленей, то они вымерли бы сами. В истории развития жизни на Земле таким образом не прошли «проверки отбором» тысячи видов животных и растений. Приведенный пример системы олень — волк достаточно условный. В реальных экосистемах аналогичные взаимодействия существуют между растениеядными животными и их кормовыми растениями, которые также существуют в форме популяций. Поэтому мы можем усложнить схему, введя в нее популяцию кормового растения, управляющую популяцией оленя (рис. 2.18,в). Теперь очевидно, что увеличение численности волка приведет к увеличению биомассы корма из-за снижения численности оленя. В то же время возрастание биомассы корма оленя вызовет и увеличение численности волков (за счет интенсивного питания и размножения оленей). Однако в таком случае система начинает работать «вразнос» из-за отсутствия механизма отрицательной обратной связи. Фактически же увеличение биомассы растений не может быть беспредельным: оно всецело зависит от абиотической компоненты среды — почвенных условий, прихода солнечной энергии и ее ассимиляции продуцентами, каковыми и являются растения. Следовательно, в природных экосистемах гомеостаз определяется не только взаимодействием популяций разных пищевых уровней, но и постоянной энергетической дотацией. Процессы, которые мы только что рассмотрели, представляют собой, как мы уже знаем, обмен веществом и энергией 101
между отдельными элементами экосистемы, т. е. обмен информацией. Передача информации от одного звена к другому осуществляется по определенным каналам, в данном случае — по каналам обратной связи. При некоторых условиях обратная связь, т. е. передача информации может быть почему-либо нарушена. Например, на оленей стал охотиться какой-то другой хищник и стал «мешать» в этом отношении волку, или среди волков возникла инфекционная болезнь. При этом происходит нарушение сбалансированности системы, которое может быть обратимым или необратимым. На языке кибернетики это означает, что в каналах обратной связи между популяцией волка и оленя появились «помехи» или «шумы». Роль помех могут играть и абиотические факторы, например погодные условия. Засуха может снизить продуктивность растений и ограничить пищу для оленя, что немедленно почувствует на себе волк. Воздействия таких помех на популяцию носят, как принято говорить, статистический, т. е. случайный избирательный характер. Те особи, для которых помехи оказались непреодолимыми, погибнут или не дадут потомства, а более стойкие выживут, передав наследственную информацию своим потомкам. Происходит естественный отбор под влиянием помех; эти помехи являются, таким образом, положительными, полезными и выступают как фактор эволюции*. Так, паразиты и хищники насекомых-вредителей полезны не человеку, а прежде всего их хозяевам и жертвам. Кибернетический подход позволяет обосновать причины биологического равновесия экологических систем и условия, при которых это равновесие (илигомеостаз) обеспечивается. Каждая систему обладает определенным запасом информации, под которым донимается количественная мера организованности этой сяетемы. Очевидно, чем более сложна эта система, чем больше имеется в ней перекрещивающихся трофических и энергетических цепей, ?ем выше ее информативность. Каждая открытая система (а экосистемы — это системы открытые) получает информацию из внешней среды, причем эта информация стремится вывести систему за границы, в пределах которых «возможно ее выживание»**. Поэтому стабильность системы будет зависеть от количества информации в некотором «регуляторе», и это количество должно соответствовать числу «нарушений». Иными словами, каждое нарушение должно компенсироваться встречным процессом. При этом условии накопленная * Шмальгаузен И. И. Кибернетические вопросы биологии. Новосибирск: Наука, 1966. С. 35—73. ** Владимирский Б. М. Кибернетическое моделирование экологических систем. В кн, Человек и биосфера. Ростов: Изд-во Ростовского ун-та, 1977. С. 133—157. 102
системой информация способна сбалансировать «острые» нарушения ее структуры. Многочисленные исследования (теоретические и экспериментальные) с применением методов математического анализа показали, что биологические (экологические) системы тем стабильнее во времени и пространстве, чем они сложнее. Иначе говоря, стабильность сообщества определяется числом связей между видами в трофической цепи. Человек в силу необходимости постоянно вмешивается в процессы, происходящие в экосистеме, влияя на нее в целом или на отдельные ее звенья. Эти воздействия могут проявляться в виде введения в экосистему новых компонентов, отстрела некоторой части растительноядных копытных, вырубки части деревьев, загрязнения тех или иных составляющих абиотической компоненты природной среды. Не всегда эти воздействия ведут к распаду всей системы, к нарушению ее стабильности, однако давление помех не может быть беспредельным. При определенном уровне стрессового фактора, например при нашествии других хищников или массовой гибели одного из компонентов из-за болезней, информационная обеспеченность экосистемы не может за счет отрицательной обратной связи компенсировать отклонений, определяемых положительной обратной связью. Тогда данная система прекратит свое существование. Та область, в пределах которой механизмы отрицательной обратной связи способны, несмотря на стрессовые воздействия, сохранить устойчивость системы, хотя и в измененном виде, называют гомеостатиче- ским плато (рис. 2.19). Воздействия, при которых компенсаторные регуляторы оказываются не в силах сохранить гомеостатичность системы, наблюдаются, как правило, Гибель Верхний предел положительной обратной связи Гомеостатическое плато ОбЛпсто отрицателоной обратной связи Нижний предел положительной, обратной _ _ сбязи Гибель -+ &) о е+) Стресс Рис: 2.19. Схема формирования гомеостатического плато в экосистеме, в пределах которого посредством отрицательной обратной связи поддерживается относительная стабильность системы при воздействиях, вызывающих нарушение сбалансированности По Ю. Од уму, 1975 103
при резких антропогенных или естественных воздействиях на структурно* упрощенные искусственные системы, например на объекты сельского хозяйства. В последнем случае человек сам вынужден брать на себя компенсацию нарушений, выполнять роль регулятора, осуществляя, в частности, защиту культур от вредителей и болезней. Практический смысл гомеостатического плато можно проиллюстрировать на примере отвода так называемых условно чистых (или очищенных до определенной степени БПК *) сточных вод в естественный водоем. При этом обычно допускается, что непосредственно в водоеме происходят процессы «самоочищения». Поэтому стремятся определить, какими именно возможностями к самоочистке обладает водоем, и вести общезаводскую или цеховую очистку воды лишь до того уровня БПК, с которым водоем справится без ущерба для себя. По сути дела при таком сбросе сточных вод растворенный в воде кислород начинает расходоваться на окисление остаточных загрязнений. Численность организмов (особенно водорослей, бактерий) при этом также изменяется (обычно возрастает). Вся экосистема при этом меняется, ибо большая или меньшая доля био- и хемоэнергетики начинает «работать» в новом направлении. Иным словами, происходит сдвиг на гомеостатическом плате,, а следовательно, и изменение экосистемы в целом, хотя это и не бросается сразу в глаза, а обнаруживается лишь спустя некоторое время в результате заметного исчезновения тех или иных видов рыб, возрастания плотности планктона или изменения состава микробного населения. Содержащиеся в сточных водах примеси являются, таким образом, стрессовым фактором, и возможен случай, когда плато выйдет из области, контролируемой механизмами отрицательной обратной связи, достигнет-предельной степени воздействия связи положительной. Приведенное выше положение об условиях стабильности экосистем объясняется тем, что в сложной системе, по сравнению с простой, возрастает количество и вероятность действия компенсаторных механизмов, регулирующих, вплоть до подавления, те или иные отклонения, например сильное увеличение численности какого-либо компонента. Сукцессия Стабильное состояние экосистемы, ее гомеостаз биогеоценоза не есть нечто застывшее, неподвижное. Гомео- стаз — это, в сущности, подвижное равновесие, и в любой экологической системе идут процессы, меняющие ее во времени и пространстве. При этом изменяется состав биоты, структура экосистемы и ее продуктивность. Последовательная смена биоценозов, преемственно возникающих на одной и той же территории в результате влияния природных факторов (в том числе внутренних противоречий развития самих биоценозов) или воздействия человека, называется сукцессией (от лат. сукцессио — последование, следую). Данная смена происходит в силу действия экологического принципа (закона) сукцессионного замещения. Природные биотические сообщества последовательна формируют закономерный ряд экосистем, ведущий к наиболее устойчивому в данных условиях состоянию климакса. * БПК — биохимическое потребление кислорода (см. гл. 4). 104
Сукцессия — постепенный процесс изменения структуры и состава биоценоза. Сукцессии связаны с внутренними процессами экосистемы, в частности с динамикой экотопа, с постепенными изменениями растительности, процессами размножения растений, а значит, и совокупности экологических ниш для консумен- тов (автогенные сукцессии), а также с внешними воздействиями на экосистему, в том числе и в связи с хозяйственной деятельностью человека (аллогенные сукцессии). Характерным примером являются антропогенные сукцессии, как правило, являющиеся аллогенными: например, связанные с рекреационным (для отдыха) или пастбищным использованием экосистем, сукцессии на болотах, подвергнутых осушению. Обычно такие сукцессии проявляются в постепенном разрушении (дигрессии) экосистем, нередко — в снижении их продуктивности. Однако антропогенные сукцессии могут быть и автогенными в тех случаях, когда нарушенная или уничтоженная человеком экосистема (например, после лесного или степного пожара, вырубки и т. п.) начинает восстанавливаться. Такие процессы называются восстановительными сукцессиями или демутациями (от лат. де — удаление, мутацио — изменение). Известны, например, постпастбищные восстановительные сукцессии, сукцессии, связанные с восстановлением леса на гарях (пирогенные) или вырубках. Антропогенные сукцессии при осушении болот зависят от особенностей осушения (дренажа), от природной зоны, от типа болот. В ходе такой сукцессии может улучшаться рост деревьев (если избыток влаги был лимитирующим фактором), могут угнетаться популяции сфагновых мхов, клюквы, происходить замена одних видов растений другими. Циклические сукцессии имеют длительный (десятки лет) период смены биоценозов на фоне динамики экотопа с возвратом к исходному состоянию по истечении определенного периода времени. В определенных условиях экосистема в процессе сукцессии может приходить к длительному подвижно-стабильному состоянию, именуемому климаксом (от греч. климакс— лестница). Климаксными являются некоторые таежные экосистемы, целинные ковыльные степи. Известный эколог Д. Н. Кашкаров использовал понятие «сукцессионный процесс». Характерным примером такого процесса является последовательное освоение комплексом организмов упавшего дерева в лесу. Сначала у такого дерева отмирают живые клетки заболони, древесина темнеет вследствие окисления некоторых содержащихся в ней фенольных веществ. Вскоре на ней поселяются дереворазрушающие грибы-пионеры, вызывающие синюю, бурую, красную окраску. Им на смену приходят грибы-субдеструкторы, вызывающие твердую гниль. За ними следуют основные деструкторы, разрушающие лигнин и целлюлозу (образователи мягкой гнили). Гнилая древесина заселяется грибами-гумификаторами, перерерабатывающими ее в перегной. Ана- 105
логичным образом на свежесрубленном дереве сначала поселяются насекомые, питающиеся еще живым лубом, за ними следуют собственно разрушители древесины (ксилофаги), далее появляются другие членистоногие и прочие беспозвоночные, питающиеся продуктами грибного и бактериального распада тканей. Рассмотрим пример восстановительной сукцессии (демута- ции) на площади, на которой в процессе лесозаготовок была уничтожена экосистема хвойного (елового) леса. В процессе рубки практически полностью разрушен фитоценоз и зооценоз, но такой элемент экотопа как почва в значительной мере сохраняет свойства, которые были ей присущи до рубки. Что касается климатопа, то он радикально меняется прежде всего в части, касающейся освещенности, прогреваемости, альбедо, ветрового режима. После рубки на освобожденной от леса площади появятся светолюбивые и быстрорастущие травянистые растения и лиственные древесные породы. По прошествии некоторого времени A0—20 лет) разросшиеся лиственные постепенно начнут угнетать травянистые растения, и появится возможность для укоренения и прорастания всходов хвойных. Далее по прошествии десятилетий лиственные постепенно уступят свое место хвойным (рис. 2.20). В дальнейшем может начаться процесс распада популяции хвойной породы и ее замена популяциями лиственных пород (осины, березы, ивы и др.)- Воздействие человека (прямое или косвенное) может существенным образом изменять сукцессионные процессы, замедлять или ускорять их. Однако сукцессии подчиняются определенным закономерностям, являются неотъемлемым свойством любой наземной или водной экосистемы. Непродуманное вмешательство в сукцессионный процесс без глубокого знания природы конкретной системы может привести к ее распаду, поскольку сукцессия экосистемы есть целостный и последовательный процесс, это изменение во времени не отдельных разрозненных живых компонентов, а изменение всей живой компоненты (биоты) и всего комплекса абиотических факторов, всех пищевых и энергетических цепей. Например, вспышки массового размножения насекомых в лесах есть также проявление сукцессионного процесса, а подавление этих вспышек посредством ядохимикатов может иметь не только положительные, но и отрицательные последствия, так как уничтожение одного из участников сукцессии прямо и косвенно влияет на другие. Сукцессия биогеоценоза является фактически сукцессией пищевых цепей и фундаментальных экологических ниш, т. е. режимов и состава сцепленйых факторов. Поэтому приведенные выше примеры — упрощенные. В реальных условиях все гораздо сложнее, и при управлении биогеоценозами эту сцеп- ленность факторов следует учитывать. Характерным примером принебрежения учением о фундаментальной экологической нише 106
20-25лет 30 0 лет 75-80 лет ВО -120лет Рис.; 2.20. Сукцессия лесной экосистемы, в данном случае — восстановительная После вырубки хвойного (елового) леса на его месте возникает экосистема с преобладанием березы, в течение десятилетий заменяющаяся новым хвойным лесом. По И. Н. Пономаревой, 1975
является применение арборицидов в лесах, проводившееся в больших масштабах с целью устранить «сорные» лиственные породы, которые «конкурируют» с ценными хвойными за свет и минеральное питание. Ныне применение арборицидов в лесах в массовых масштабах прекращено. Однако в ряде случаев после уничтожения лиственных пород сосна и ель не только не растут, но даже те деревья, что были до обработки, погибают от вредителей и болезней (новые лимитирующие факторы). Причина понятна: свет и минеральное питание — это лишь немногие из бесчисленного множества экологических факторов, образующих фундаментальную нишу. Осветление оказывается благоприятным и для многих насекомых; исчезновение лиственного полога способствует беспрепятственному распространению грибных инфекций среди оставшихся хвойных. Поступление органики в почву прекращается, а кроме того, почва оказывается незащищенной пологом лиственных пород от водной эрозии, и ее еще слабый гумусовый горизонт смывается. Эколог, в частности грамотный инженер-лесохозяйственник, обязан понимать, что на конкретной вырубке лиственные, а не хвойные породы появляются закономерно в силу необратимости сукцессии. При этом хвойные не растут не потому, что с ними «конкурируют» лиственные, а потому, что отсутствует множество других необходимых и достаточных экологических факторов, определяющих экологическую нишу. Здесь действует общебиологический закон внутреннего развития экосистем — закон последовательного прохождения фаз развития (по Реймерсу Н. Ф.). Фазы развития природной системы могут следовать лишь в эволюционно и функционально закрепленном (исторически, геохимически и физиолого-биохимически обусловленном) порядке, как правило, без выпадения промежуточных этапов, но, возможно, с очень быстрым их прохождением или эволюционно закрепленным отсутствием. Искусственно невозможно исключить какую-либо из фаз развития, хотя можно сократить ее во времеци, например за счет экологически грамотного управления лесовосстановительными процессами. Разумеется, в некоторых случаях можно создать хвойное насаждение, минуя смену пород, но успешный результат всецело зависит от того, на каком этапе сукцессии материнской экосистемы прекратилось ее существование. Сукцессия—процесс энергоемкий, так как связан с образованием продукции в результате фотосинтеза. Преимущество в условиях восстановительной сукцессии (рис. 2.20) на вырубке 108
будут иметь те растения, которые максимально рациональна утилизируют поступающую энергию солнечного излучения*. И наоборот — те растения, которые в силу особенностей своей ниши не имеют такой возможности (например, при недостаточном минеральном питании, появлении консументов, повреждающих фотосинтетический аппарат), отторгаются вновь формирующейся экосистемой. Лесное производство до настоящего времени ориентировано ча то, чтобы исключить подобные процессы и не допустить смены хвойных пород лиственными. Для этого на вырубках создаются искусственные хвойные насаждения (лесные культуры) путем посева семян или посадки выращенных в питомниках саженцев. Однако, если предшествовавшим ходом сукцессии в бывшей экосистеме не подготовлена смена хвойными же, то культуры неизбежно будут отторгнуты, погибнут. Их, разумеется, можно сохранить, но тогда человек обязан взять на себя все управление энергетикой экосистемы: уничтожать лиственные породы, вносить удобрения, бороться с консументами (копытными, членистоногими, бактериями, грибами). Важно и то, что сукцессия сопровождается жестким статистическим процессом естественного отбора, а 4—5 тысяч практически одинаковых саженцев материала для отбора не дают, и эпидемия какой-либо болезни уничтожает их полностью. Таким образом, энергозатраты человека на «ломку» сукцессии экосистемы должны быть соизмеримы с затратами солнечной энергии на ее закономерное течение. Особый случай антропогенной сукцессии представляет собой сельское хозяйство. Распахав целинные участки и посеяв на них ту или иную культуру, хозяйство получает определенный урожай. Этот урожай представляет собой ассимилированные растениями питательные вещества почвы, кислород и углерод атмосферы, которые в дальнейшем отчуждаются из экосистемы, поскольку урожай собирают и вывозят. Поэтому на следующий год возможны различные варианты использования той же площади: восстановление плодородия за счет внесения удобрений с повторением данной культуры, «отдых» почвы под паром, замена культуры, например картофеля на рожь или кормовые травы, а также использование обогащающих почву растений. Первый вариант является самым неоптимальным прежде всего из-за своей затратности. Кроме того, в почве могут накапливаться вредители и возбудители болезней именно той культуры, которая здесь выращивалась. Более оптимальными являются третий или четвертый варианты, т. е. хозяйство вынужде- * Согласно закону максимализации энергии Ю. Одума выживает или сохраняется та система (или организм), которая наилучшим образом обеспечивает поступление и эффективное использование приходящей энергии. 109
йо имитировать сукцессию, используя принцип чередования полей, т. е. севооборота. Под севооборотом полей, полный цикл которого называют ротацией, понимают размещение и чередование сельскохозяйственных культур на отведенном для этой цели участке. Вполне естественно, что севооборот предусматривает соответствующие системы обработки почвы, применения удобрений и другие мероприятия, направленные на сохранение и повышение почвенного плодородия. Известно, что злаки требовательны к азоту, и замена их на той же площади на бобовые позволяет восстановить содержание азота в почве. Применяются севообороты различной длительности — от трех- до двенадцатипольных в интенсивных хозяйствах. Таким образом, сукцессия — это, фигурально говоря, севооборот, изобретенный природой задолго до того, как его освоил человек в культурном земледелии. Лин ми Внешним проявлением сукцессии экосистемы популяций является изменение численности популяций растений, животных. На начальном этапе возникновения леса на вырубке или гари численность молодых деревьев (особенно всходов) может исчисляться десятками и сотнями тысяч особей, а к возрасту спелости (например, 100— 120 лет для хвойного леса) остается 500—800 экземпляров на гектаре. То же самое происходит с многими травянистыми растениями. После лесного пожара на гари можно наблюдать почти сплошной покров из всем известного кипрея или злаков (вейника), но зато здесь практически отсутствуют зеленые мхи. По мере возникновения и развития древостоя картина меняется на обратную. Понятно, что при этом полностью заменяется видовой состав биоты — млекопитающих, птиц, беспозвоночных, грибов, бактерий, т. е. консументов и редуцентов. Такие смены биоты объясняются просто: с позиций закона толерантности и представлений об экологической нише. Сукцессия есть смена экологических ниш, причем приоритетное значение имеют изменения абиотической компоненты среды — физических й химических факторов. Поскольку живые организмы интересуют человека прежде всего с точки зрения чисто утилитарной, т. е, исходя из возможностей использования растений, животных в своих целях, а также вследствие того, что определенные виды (например, беспозвоночные) в конкретных условиях могут оказаться нежелательными (вредными), то проблемы оценки и прогноза численности тех или иных организмов, ее динамики и управления, включая прогнозирование, издавна являются предметом исследования. Замечено, что в экосистемах даже на сравнительно коротком отрезке времени (несколько лет) численность живых организмов может резко (в сотни и тысячи раз) изменяться 110
в сторону увеличения или уменьшения, что особенно типична для сельскохозяйственных экосистем. Численность (или, как иногда говорят, объем) Количественные популяции того или иного вида характеризуется популяций определенным количеством особей. Популяции могут быть более или менее многочисленными: у одних видов они представлены десятками экземпляров, у других— десятками тысяч. Популяции бактерий или простейших в активном иле аэротенков состоят из миллиардов особей. В сельском и лесном хозяйстве от численности растениеядных видов зависит наносимый ими ущерб. Соотношение отдельных групп бактерий в аэротенке или биофильтре определяет качество работы этих сооружений. Не зная фактической численности и состояния популяций редких и исчезающих видов, невозможно вести работы по их охране и воспроизводству. Для того чтобы сравнить численность отдельных популяций или изменение численности одной и той же популяции в разные отрезки времени, например в разные годы, целесообразно пользоваться таким относительным показателем, как плотность, т. е. численность популяции, отнесенная к единице занимаемого ею пространства. Так, плотность популяции лося и других крупных теплокровных животных определяется количеством особей, приходящихся на 10 тыс. га, население почвенных беспозвоночных соотносится с 1 м2. При характеристике популяций микроорганизмов в активном иле или биопленке используют количество особей в 1 см3 жидкости, а лабораторные популяции оценивают в специальных учетных приборах, например в камерах Тома. Иногда плотность популяции выражают величиной биомассы на единицу субстрата. Зная изменение плотности во времени или пространстве, можно установить, увеличивается или уменьшается численность особей, представляет или нет данная популяция угрозу хозяйственным интересам. Динамика плотности популяций отражает сложные закономерности взаимоотношений между различными животными, между животными и растениями, поскольку все они являются экологическими факторами по отношению друг к другу. Кроме того (и в первую очередь), плотность может меняться в зависимости от колебаний абиотических факторов среды. Например, если соотносить количество каких-либо видов рыб с площадью (или объемом) водной экосистемы в условиях сезонных колебаний массы воды, то окажется, что средняя плотность данного вида рыбы будет примерно постоянной или может даже снизиться, аэкологическая плотность возрастет, поскольку в водоеме стало меньше воды. Подобные особенности сказываются на образе жизни животных. Например, птицы, питающиеся рыбой, устраивают гнезда и откладывают яйца Ш
ъо 4 оо 1 *> 20 pi/ 1 1 1 ^ 1 \ A /| 1 \ / Время (сезон) Рис. 2.21. Схематическое сопоставление плотности популяции рыбы и цикла размножения популяции рыбоядной птицы / — экологическая плотность; 2 — средняя плотность популяции рыбы (жертвы): 3 — глубина воды в водоеме; 4 — период откладки яиц птицами. По Ю. Одуму, 1975 в такое время, чтобц период выкармливания потомства совпадал с максимальной экологической плотностью популяции рыбы, так как в это время легче добывать корм (рис. 2.21). Плотность является видоспецифичным показателем. Для каждого вида существуют оптимальные пределы плотности его популяций. Варьирование плотности каждой популяции в этих пределах зависит от состояния всей экологической системы, т. е. от всего комплекса биотических и абиотических факторов. Текущая численность и плотность популяции — не случайные величины. Они определены не только режимами экологических факторов в данное время, но и всем предшествующим развитием данной популяции, многих предыдущих поколений в том или ином сообществе. Принято говорить, что объем популяции определяется стациальной емкостью экосистемы для представителей популяции данного вида или емкостью места локализации экологической ниши. Вполне понятно, что данная емкость окажется больше для эвритопных видов, ? меньше — для сте- нотопных. Таким образом, в данных конкретных условиях объем популяции будет зависеть не только от собственно емкЬ- сти ниши, но и от экологической валентности вида. Численность живых организмов, населяющих Теоретические ту или иную экологическую систему, никогда не закономерности остается постоянной. Она всегда колеблется популяций в более или менее широких пределах. Эти колебания, называемые в общем случае флуктуа- циями, имеют очень важное значение для человека, поскольку 112
многие животные и растения являются предметом его хозяйственной деятельности или причиной какого-либо ущерба. Поэтому знание закономерностей динамики численности полуля- ций (а она имеет место только на уровне популяций) необходимо для прогнозирования возможных нежелательных явлений и внесения в случае необходимости коррективов в эту динамику с целью управления ею. Изменение численности особей в популяции есть одновременно и изменение плотности. Поскольку плотность изменяется в практически неизменяемом объеме стации обитания, увеличение численности особей возможно лишь до определенного предела, который допускается емкостью экологической ниши. Численность особей в популяции в конкретный момент времени есть отражение рождаемости и смертности. В зависимости от соотношения этих показателей говорят о балансе популяции. Если рождаемость выше, чем смертность, то популяция численно растет, и наоборот. В практике специалистов интересует не только и не столько собственно количественные изменения, сколько их скорость, темп. Поэтому и рождаемость, и смертность выражают и анализируют в показателях некоторой скорости. Под рождаемостью понимают численно выраженную способность популяции к увеличению или рост числа новых особей за счет размножения. Эта способность зависит от многих факторов: числа самок в популяции, количества половозрелых особей, плодовитости, числа поколений в году, условий размножения и др. Например, некоторые насекомые способны давать 2—3 поколения в год и откладывать яйца в количестве нескольких сотен; мышевидные грызуны, имеющие период беременности около месяца и короткий период становления половой зрелости, дают 5—6 поколений; крупные теплокровные вынашивают плод несколько месяцев, достигают способности к воспроизводству на 3—4-й год и рождают всего 1—2 детенышей. Бактерии и простейшие размножаются делением, повторяют этот акт многократно в течение нескольких часов. Понятно, что темпы размножения, темпы рождаемости у них различны. Рождаемость может быть нулевой или положительной, но не может иметь отрицательный знак. Однако скорость роста может иметь любой знак. Если в популяции имеется 500 способных к размножению особей (#о = 5ОО), и в течение 10 дней (АГ = 10) родилось, например, 50 новых (Д#о = 5О), то рождаемость составит Р = = 50/10 = 5, или в пересчете на одну особь Р = ANo/(A7Wo) = = 50/A0-500) =0,01. Смертность С, как и рождаемость, можно выразить в количестве особей, погибших за определенный отрезок времени. Теоретически скорость естественного роста популяции в не- лимитированной какими-либо факторами среде характеризу- 113
M M М Рис. 2.22. Некоторые типы динамики популяций а — /-образная кривая экспоненциального роста; б —5-образная кривая (логистическая); в — экспоненциальный рост до определенного предела с последующим спадом численности (колоколообразная кривая); М и К — нижний и верхний пределы численности популяции ется экспоненциальным законом и описывается так называемой /-образной кривой (рис. 2.22). Допустим, что в некоторый момент времени t численность бактерий в определенном объеме составляла 20 особей, каждая из которых делится через 15 минут. Тогда через 15 минут здесь будет Nt = 40 бактерий, еще через 15 минут Nt =80 и т. д. Таким образом, прирост г зависит от No. Понятно, что бактерии не только рождаются в процессе деления, некоторая часть их отмирает. Тогда г = Р—С. Если г —величина постоянная, то скорость роста пропорциональна начальной численности No: 4j- = 'tfo. B.2) Фактически здесь мы уже имеем мгновенную скорость роста популяции, и следовательно, численность в любой момент времени t: B.3) Понятно, что этот закон идеальный: в реальных условиях беспредельный экспоненциальный рост численности популяций невозможен. Всегда существуют некоторые предельно высокая (К) и низкая (М) численности и плотности популяции в конкретной экосистеме, преступить которые популяция «не имеет права». По достижении некоторой максимально высокой численности в действие вступают ограничительные механизмы, например взаимная интерференция (подавление особей одного вида особями другого) *, общая нехватка пищи, паразиты, заболевания * Интерференция (от лат. интер — между, ференс — несущий, переносящий)—взаимодействия (обычно неблагоприятные), возникающие при наличии у одних организмов близких соседей того же или других видов. Примером интерференции может быть попутное уничтожение зимующих в шишках ели насекомых клестами в процессе питания или мелких насекомых крупными при питании одним и тем же субстратом. 114
и т. д. В этом случае возможны два варианта дальнейшей динамики данной популяции. Первый заключается в том, что численность стабилизируется (см. рис. 2.22), и в целом ее динамика будет характеризоваться так называемой логистической (S-образной) кривой, а уравнение примет вид: Отношение (K — N)/K отражает «сопротивление среды», под которым понимают совокупность факторов, препятствующих неограниченному росту численности популяции. В другом случае после достижения предела К наступает массовая гибель особей, возвращающая численность популяции к некоторому нижнему пределу (см. рис. 2.22), после чего нарастание может начаться вновь. Подобные колебания численности с правильной периодичностью типичны для многих животных. В практике в ряде случаев необходимо знать, какое количество особей в популяции вредного вида выживет в конце ве-, гетационного периода, с тем чтобы сделать прогноз опасности размножения на следующий год, предсказать возможный ущерб я запланировать защитные мероприятия в сельском или лесном хозяйстве. Учитывая в тех или иных практических задачах численность популяции, мы всегда имеем дело с выжившими на данный момент времени особями. Поэтому выживаемость фактически и характеризует жизненное состояние популяции. Под выживаемостью следует понимать долю особей в популяции, доживших до определенного момента времени или до возраста размножения. Исследования динамики выживаемости (в основном беспозвоночных животных) позволили вывести следующий фундаментальный закон выживаемости. Численность особей в данном поколении популяции в любой момент времени является функцией только начальной численности No и времени, прошедшего с начала развития поколения L В системе координат численность — время выживаемость можно представить сложной трехзвенной кривой, (популоидой) аппроксимируемой уравнением: Nt = No[(\-Kiera<tlTJ + Ki-$(t/TL]. B.5) Здесь, кроме уже известных обозначений, Р и Ki — константы, справедливые для любых популяций данного вида в его ареале; Г —общее время развития поколения, сут (берется среднее время для многих поколений, причем Т -— показатель видоспецифичный); а — коэффициент, имеющий смысл г в уравнении B.3), только с отрицательным знаком. 115
t) \ , Kijf(N0) 1 i i Рис. 2.23. Кривая (популоида) выживаемости популяции в те» чение периода разэития одного поколения Популоида (рис. 2.23) имеет три отрезка: первый связан с резким падением выживаемости из-за высокой «детской» смертности в течение первых 10—20 дней, второй показывает определенную стабилизацию численности в течение 20—40 дней, а третий — и ^ новое падение численности выживших особей до некоторого конечного значения МКон. Популоида и ее аппроксимация иллюстрируют закон, согласно которому численность особей в популяции в любой момент времени является функцией начальной численности (плотности) данного поколения и времени, прошедшего с начала его развития: Nt = f(N0; t). B.6> При этом в отсутствие каких-либо катастрофических воздействий на популяцию (например, погодных условий, пожара и т. п.) выживаемость составляющих ее особей всегда тем ниже, чем выше начальная плотность данного поколения. Биотические факторы — паразиты, заболевания, хищники и др. — обеспечивают выполнение данного закона. У организмов, способных давать несколько поколений в течение года (например, растениеядные клещики, комары, домашние мухи, многие грызуны и др.), численность изменяется неоднократно в течение сезона и могут наблюдаться значительные спады и подъемы. Причины флуктуации численности весьма многообразны, но во всех случаях связаны с динамикой экологических факторов. Например, ураганы и пожары в лесных экосистемах приводят к появлению обширной кормовой базы для насекомых, питающихся отмирающими деревьями и древесиной (ксилофагов), что ведет к возрастанию их численности. Закономерно- периодические изменения численности популяций и их причины Из приведенного выше материала ясно, что широкие и относительно быстрые флуктуации численности свойственны исключительно популяциям организмов-консумёртов на фоне относительной стабильности популяций продуцентов- фотосинтетиков. Многие животные имеют тенденцию к более или менее регулярным изменениям численности, т. е. с определенной периодичностью, повторяемостью. Амплитуда, численности может быть исключительно широкой. Так, численность мышеобразных грызунов — леммингов или некоторых видов саранчи периодически увеличивается в тысячи раз. При этом могут происходить массовые перемещения (миграции) на большие расстояния. Ряду растениеядных насекомых свойственны периодические вспышки .массовых размножений популяций в лесных экосистемах, когда личинки почти наголо съедают ассимиляционный аппарат фотосинтетиков (листья, 116
хвою). Иногда после таких повреждений (но не обязательно — вследствие их) деревья погибают. Классические исследования динамики численности популяций рыси в Северной Америке выявили периодические (через 9—10 лет) увеличения, следовавшие за ростом численности популяции зайца-беляка, являющегося основным кормом рыси. Такие флуктуации с правильной периодичностью называют осцилляциями. Популяции многих видов имеют примерно постоянный уровень численности и плотности с незначительными изменениями во времени. Колебания численности животных в природных и антропогенных экосистемах имеют большое значение с точки зрения интересов человека. В период массовых размножений насекомых в лесах или на сельскохозяйственных культурах, при резких возрастаниях численности грызунов (мышей, крыс) в населенных пунктах наносится существенный ущерб урожаю, приросту древесины, запасам продуктов. Поэтому перед человеком периодически возникает задача борьбы с вредителями, защиты урожая, для чего требуются большие затраты сил, энергии, материалов. Следовательно, очень важно своевременно предвидеть вспышку размножения той или иной популяции в конкретной экосистеме, чтобы принять меры по предотвращению ущерба. Для того чтобы прогнозировать изменения численности животных, необходимо знать причины, по которым они происходят, и закономерности, по которым они развиваются. Очевидно, что во всех случаях причинами являются динамичные во бремени и пространстве экологические факторы. Поэтому появилось множество теорий динамики численности животных (в основном растениеядных), целью которых является прогнозирование и управление их численностью. Все теории можно разделить на две больших категории: факториальные и системные (табл. 2.3). Как видим, факториальные теории связывают изменения численности популяций с конкретными экологическими факторами. Как правило, они базируются на экспериментальном материале и формулировались с помощью статистически обоснованных корреляционных зависимостей между режимами этих факторов и изменениями численности животных. При этом большинство теорий построено на материале из мира беспозвоночных животных, являющихся удобным для наблюдения и накопления статистического материала тест-объектом. Паразитарная теория состоит в том, что периодически популяции растениеядных животных «ускользают» из-под контроля управляющих (регулирующих) факторов — паразитов, хищников и получают возможность неограниченно размножаться. Однако эта теория в принципе неверна. Мы уже знаем, что соотношение биомасс и энергий в пищевой цепи составляет от 1 : 10 до 1 : 100, причем поток энергии направлен от продуцен- 117
Таблица 2.3. Классификация теорий динамики популяций Факториальные Системные Название теории | Состав факторов Название теории | Состав факторов Паразитарная Трофическая Климатическая Метеосиноптическая Гелиоклимати- ческая Консументы II порядка — паразиты, хищники, возбудители заболеваний Качество растительной пищи Динамика метеорологических факторов (температуры, влажности и ДР-) Широтные и меридиональные циркуляции атмосферных масс Солнечная активность Синтетическая Градоцен Феноменологическая Стациальная Консументы II порядка, качество пищи, погода Комплекс всех биотических и абиотических факторов Темпы размножения Пространственно- временная структура стации обитания (экосистемы) тов к консументам I порядка, а от консумейтов I порядка — к консументам II порядка — к паразитам и хищникам. Следовательно, и процессы управления имеют то же направление. На основании этих положений формулируется общий закон управления. Упраэляющнм звеном в природной экосистеме является предыдущий (нижний по потоку энергии) уровень пищевой цепи, а управляемым — последующий (верхний по потоку энергии). Со стороны предшествующих звеньев пищевой цепи по отношению к последующим характерны процессы управления, а со стороны последующих звеньев — адаптирование (приспособления). Независимо от места данного вида в пищевой цепи приоритет в управлении принадлежит абиотической компоненте среды. Данный закон полностью справедлив лишь по отношению к природным экосистемам, не подвергающимся или минимально подвергающимся антропогенным воздействиям. В антропогенных или полностью управляемых человеком (например, сельскохозяйственных) экосистемах приоритетным фактором управления является деятельность человека. Но следует учитывать, что такое управление является весьма ресурсо- и энергоемким процессом, и оценки eto эффективности лежат преимущественно в сфере экономики. 118
Биологический метод борьбы с вредителями растений в природных экосистемах (применение паразитов, хищников, возбудителей болезней) в силу сформулированного выше закона невозможен (доказательных фактов успешности его применения в мировой литературе не существует), а в антропогенных экосистемах затраты на его реализацию, как правило, не компенсируются экономическим эффектом. Трофическая и другие теории (см. табл. 2.3) более доказательны и в принципе друг другу не противоречат. Качество корма (т. е. химизм пищи) — это, безусловно, управляющий фактор по отношению к растениеядным животным, но оно, в свою очередь, зависит от климатических, погодных, почвенно-грунтовых условий. Метеорологические факторы воздействуют на животных как непосредственно, так и опосредованно — через воздействие на популяции кормовых растений. Это доказано большим экспериментальным материалом и положено в основу производственного прогнозирования изменений численности хозяйственно значимых организмов (преимущественно беспозвоночных) в сельском и лесном хозяйстве. Однако погодные условия в том или ином районе могут выступать и в качестве лимитирующих факторов. С другой стороны, они зависят от свойственных нашей планете циркуляции воздушных масс, а также от солнечной активности, для которой характерны повторяющиеся с разной периодичностью циклы. При всей справедливости этих теорий ими трудно пользоваться в практических целях непосредственно — без дополнительных наблюдений в натуре. Известно, например, что если дефицит влажности в течение двух-трех лет подряд превышает средний многолетний для вегетационного периода, то многие виды насекомых дают вспышки массовых размножений и наносят ущерб. Смена меридиональной циркуляции атмосферы на широтную (с востока на запад) ведет к волнорбразному нарастанию численности многих животных. Но далеко не все популяции одного и того же вида и не во всех экосистемах столь сильно увеличивают свою численность. Для того чтобы точно предсказать время и место подобной угрозы, необходимо вести постоянные наблюдения за хозяйственно значимыми видами непосредственно в натуре — в экосистемах. Системные теории, в сущности, лишь объясняют причины изменений численности организмов в природе. В частности, синтетическая теория рассматривает колебания численности как результат взаимодействия положительных и отрицательных связей в системе жертва — хищник, отдавая приоритет (управляющую роль) именно хищникам и паразитам, т. е. близка к паразитарной. Теория градоцена объясняет динамику численности популяций воздействием всего комплекса экологических факторов — как биотических, так и абиотических — в экосистеме, а феноменологическая (от лат. феномен — явление) по сути дела лишь констатирует факт изменений численности во времени в зависимости от темпов размножения и расселения и основана на построении особых графов — фазовых портретов популяций в системе координат численность — время. Стациальная теория исходит из экосистемных принципов и формулируется следующим образом. Состав, структура и динамика популяций консументов, как производные биоценотической сукцессии, и определяются пространственно-временной структурой стации обитания, включая структуру популяций кормовых растений — продуцентов. Колебания численности консументов как часть сукцессии определяются всей совокупностью экологических факторов на данном этапе сукцессион- ного процесса, а динамика численности отражает структуру и динамику экологической ниши. Следовательно, поскольку сукцессия есть целостный процесс, то и динамику популяций входящих в состав биоты организмов программирует сама экосистема на том этапе сукцессии, когда, например, 119
вспышка является почему-либо необходимой. Известно, что массовое уничтожение ассимиляционного аппарата деревьев в лесных экосистемах, как правило, не приводит к массовой гибели на уровне популяций. Так, при засушливой погоде (высокий дефицит влажности) объедание хвои и листвы насекомыми может быть даже полезным, так как временно сокращает транс- пирационный аппарат. Гибель деревьев после, а не вследствие вспышки массового размножения популяции какого-либо фитофага может иметь место не на уровне популяции в целом, а лишь на тех занимаемых ею территориях, где деревья уже ослаблены ранее бедностью условий местопроизрастания (лимитирующие факторы!), находятся на возрастном пределе. В этих условиях фитофаги являются «инструментом» сукцессии, призванным, чтобы освободить место для новой экосистемы или для нового поколения древесной породы. Поэтому прогностическая значимость стациальной теории состоит в том, чтобы осуществлять мониторинг (или надзор) не за динамикой популяций консументов-фитофагов, а за состоянием популяции кормового растения — продуцента» исходя из определяемой ею структуры экологической системы. Известно, что в одних экосистемах (мы ведем речь о лесных и сельскохозяйственных) численность консументов-фитофагов возрастает в тысячи раз, после чего падает практически до нуля, а в соседних — изменяется у того же вида на той же породе незначительно и имеет, как говорят, латентный тип динамики. Причины таких различий кроются в особенностях пространственно-временной структуры стации обитания, а значит, и в разобщенности или агрегированности индивидуумов, слагающих „популяции как консументов, так и их кормовых растений — продуцентов. В природе существует четыре типа стаций с точки зрения их разобщенности (дискретности) в пространстве и времени (таблица 2.4). Широкие осцилляции численности и плотности консументов возможны только в условиях экосистем с непрерывностью популяций кормовых растений как во времени (длительно существующие лесные экосистемы), так и в пространстве (монокультура или лесной биогеоценоз с преобладанием одной древесной породы, образующей сплошной полог крон). Таблица 2.4. Типология структуры стаций обитания растениеядных членистоногих Структурная категория Пространство Тип стации обитания Непрерывные Дискретные « I РЭ к « I с Полог фитоценоза (вегетативные органы) в условиях севооборота или смешанного леса для популяций открыто живущих видов Полог фитоценоза в естественных од- нопородных лесах, долевых сообществах, монокультуры в сельском хозяйстве для открыто живущих видов Стебли, побеги растений в условиях севооборота; репродуктивные и вегетативные органы для скрытно живущих видов Стебли (стволы и побеги), иные органы растений, в естественных сообществах для скрытно живущих видов 120
У организмов, для которых место локализации экологической- ниши разобщено в пространстве (смешанные леса, отдельные деревья, плоды) или во времени (периодичность семеношения, севооборот) не бывает широких колебаний численности, их популяции стабильны во времени. Численность и плотность популяции всегда ограничена возможностями стации, причем разобщенность «популяции всегда больше, чем ее стации. Поэтому изменение числа индивидуумов в отдельных локусах занимаемого популяцией геометрического пространства не беспредельно, а ограничивается относительно жесткими пределами разобщенности стации. При этом действует так называемый закон компенсационного выравнивания, согласно которому на протяжении достаточно длительного отрезка времени уменьшение разобщенности популяции во времени компенсируется увеличением разобщенности в пространстве и наоборот. Таким образом, разобщенность места обитания популяции во времени, в пространстве или и во времени, и в пространстве препятствует неограниченному росту численности. Популяция просто не может «набрать» достаточного числа особей, биомассы и энергии, чтобы скачкообразно возрасти. Именно поэтому в пространственно-сложных экосистемах с большим видовым составом биоты и разветвленными пищевыми сетями имеется достаточный запас информации для компенсирования положительных обратных связей отрицательными. Такие экосистемы (смешанные леса, включая тропические; полевые культуры с многопольными севооборотами) высокоустойчивы, и широких изменений численности отдельных компонентов биоценоза в них не происходит. Подчеркнем, что одной из важнейших причин хронических неудач с искусственным восстановлением леса на вырубках и гарях является именно стремление создать монокультуры, т. е. выращивать на огромных площадях какую-либо одну древесную породу. Такие культуры обычно погибают в течение первого же десятилетия. 2.9. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ Цели Переход биосферы в ноосферу предусматривает и задачи управление развитием общества, с одной стороны, и биосферы — с другой, что должно в будущем не только исключить всякие отрицательные последствия природопользования, но и исправить те, что уже имели место. Таким образом, необходимы: текущий учет и измерение происходящих изменений в окружающей среде с точки зрения ухудшения ее качества; прогноз этих изменений и связанных с ними экологических последствий. Следует иметь в виду, что в конкретных ситуациях возможны самые разнообразные варианты нарушений — от отказа систем очистки выбросов или оборотного водоснабжения до глобальных ногодно-климатических возмущений, благодаря которым параметры качества среды могут неожиданно измениться даже в относительно отдаленных от промышленных комплексов районах. Для того чтобы разумно управлять природопользованием, не допуская или своевременно предупреждая нежелательные отклонения качества среды, необходимо наряду с получением соответствующей информации располагать данными о том, 121
какая именно среда является оптимальной для полного благополучия общества. Понятно, что «оптимальность» оценивается по совокупности конкретных показателей. Должны быть установлены предельно допустимые нагрузки на окружающую среду, превышение которых может привести к ее ухудшению, а следовательно, и к ущербу для самого человека. Исходным понятием в этой сложной работе является упомянутое ранее необходимое и достаточное качество среды, т. е. такая совокупность ее параметров, которая всецело удовлетворяет как экологической нише человека, так и научно-техническому прогрессу общества *. Критериями качества среды могут быть высокая биологическая продуктивность, оптимальное соотношение видов и биомассы популяций, находящихся на разных трофических уровнях, и др. Качество среды может быть выражено в абсолютных или условных единицах (баллах), характеризующих каждый из критериев или параметров. Суммарное значение этих баллов и дает оценку состояния среды в данном районе. Так, в США с 1969 г. существует подобный балльный показатель, именуемый индексом качества природной среды. Его максимальное значение (для лучших условий) составляет 700 баллов. Он определяется по результатам балльной оценки состояния воды, воздуха, природных ресурсов и пр. Известно, что этот индекс снизился с 406 баллов в 1969 г. до 343 — в 1977 г. Балльная оценка дает возможность ежегодно устанавливать, за счет какого именно фактора или за счет ухудшения состояния какого ресурса происходит снижение индекса. Разумеется, при этом необходимо также тщательное наблюдение за качеством среды с получением соответствующей оценочной информации. Для того чтобы получить информацию об изменениях в экологической системе и вовремя отреагировать на эти изменения принятием и реализацией соответствующих решений, необходимо иметь «точку отсчета», т. е. некоторое определенное значение того или иного показателя данного качества, которое Ю. А. Израэль называет фоновым, не подвергавшимся ранее локальным антропогенным воздействиям. Параметры такого фонового состояния меняются под влиянием деятельности человека, причем существуют некоторые критические уровни, качества среды (минимальный и максимальный), в пределах которых посторонние воздействия не должны выводить данную систему из состояния устойчивости, ибо иначе в ней могут про- * Израэль Ю. А. Об оценке состояния биосферы и обосновании мониторинга.—Докл. АН СССР, т. 226, 4, 1975. С. 955—957. 122
h. Зона экологи ческого резерва (ЭР) Время ,t Рис. 2.24. Динамика функции состояния элементов некоторой системы во* времени при различных нагрузках в связи с задачами мониторинга: / и 7 —нижний и верхний критические пределы изменений; 2 и 6 — нижний и верхний допустимые пределы изменений; 5 — возбужденное (близкое к предельно допустимому) состояние экосистемы при антропогенном воздействии; 3 — фактическое состояние экосистемы (изменение при антропогенном воздействии); 4—нормальная динамика состояния экосистемы. Интервалы между кривыми 2 и б — зона экологического резерва, в пределах которой допускаются изменения экосистемы. Заштрихованная часть — выход состояния экосистемы за пределы допустимого. По Ю. А. Израэлю, 1984 изойти необратимые изменения. Следовательно, воздействия на экосистему также должны иметь некоторые предельно допустимые минимум и максимум (рис. .2.24). Таким образом, для нормального функционирования и устой* чивости экологических систем и биосферы в целом не следует превышать определенные предельные нагрузки на них. Таковыми, в частности, считаются предельно допустимая экологическая нагрузка (ПДЭН) или предельно допустимые концентрации тех или иных чуждых данной системе веществ — ксенобиотиков (ПДК). Отсюда необходимо вести поиск критических или наиболее чувствительных звеньев в экосистемах, которые наиболее быстро и точно характеризуют их состояние, а также осуществить поиск показателей, соответствующих наиболее Сильно воздействующим факторам и указывающих на источник такого воздействия. Под экологическим мониторингом понимают си- Определения стему наблюдений за изменениями состояния и содержание -» мониторинга среды, вызванными антропогенными причинами, позволяющую прогнозировать развитие этих изменений. Термин «мониторинг» образован от латинского слова монитор — наблюдающий, предостерегающий (так называли впередсмотрящего матроса на парусном судне). Секретариат ООН по окружающей среде определил экологический мониторинг как систему повторных наблюдений элементов окружающей среды в пространстве и во времени с опре- 123
деленными целями в соответствии с заранее подготовленными программами. Объектами мониторинга могут быть природные, антропогенные или природно-антропогенные экосистемы. Цель мониторинга— не пассивная констатация фактов. Он включает также проведение экспериментов, моделирование процессов в качестве основы прогнозирования. Организация мониторинга должна решать как локальные задачи наблюдения за состоянием отдельных экосистем или их фрагментов (например, биоты), так и задачи планетного порядка, т. е. предусматривать систему глобального мониторинга (СГМ). Базой СГМ является авиационная, космическая и вычислительная техника. Авиационные методы наблюдения за экосистемами начали применяться еще в 30-е гг., а с начала 70-х гг. в практику вошли космические методы. В настоящее время используют термин «аэрокосмические методы», обозначающие совокупность методов по дистанционной индикации экологических систем. Аэрокосмические методы применяются для инвентаризации и картографирования природных ресурсов, наблюдения за сезонными и многолетними изменениями природной среды, слежения за ее составом и состоянием, а также за последствиями воздействия хозяйственной деятельности человека *. Широко известны дистанционная индикация растительности, аэрокосмическое изучение почв. Дистанционная, т. е. бесконтактная, индикация включает также регистрацию электромагнитного поля экосистем с вышек, авиационных средств, пилотируемых и беспилотных спутников. Аэрокосмические методы, кроме прямых наблюдений и приборных оценок, широко используют методы фотосъемки, причем картина изменений экосистем устанавливается путем сравнения фотоизображений (в настоящее время, в основном, спектрозональных). Космическая индикация позволяет получить такую информацию в глобальном масштабе, которую невозможно получить в результате наземных или авиационных наблюдений. На снимках хорошо видны поля загрязнения воды нефтепродуктами, лесные и степные пожары, изменения загрязненности воды в местах крупных антропогенных воздействий, например при создании дамб. Авиационные методы, включающие аэровизуальные наблюдения и аэрофотосъемку, позволяют подсчитывать численность некоторых видов животных в период миграций или скоплений на период линьки (лоси, северные олени, гренландский тюлень). Возможна также индикация воздействия животных на рельеф, изменение физического и химического состава почв. * Виноградов Б. В. Аэрокосмический мониторинг экосистем. М.: Наука, 1984. С. 7. 124
Локальными задачами мониторинга могут быть, например, наблюдения и слежение за динамикой популяций вредных организмов, в частности насекомых на больших площадях (в пределах всего ареала того или иного вида), учет движения популяций охраняемых видов животных. Данный путь позволяет прогнозировать возможный ущерб лесным и полевым растениям от вредителей и болезней, а также сроки нанесения этого ущерба. Массовая информация, получаемая в точках наблюдения, должна соответствующим образом обрабатываться с использованием вычислительной техники. Таким образом, экологический мониторинг должен представлять собой иерархически организованную систему наблюдений, слагающуюся из звеньев разного уровня: глобального (биосферного) мониторинга, осуществляемого на основе международного сотрудничества, которое в последние годы становится все более и более интенсивным; национального мониторинга, осуществляемого в пределах государства, специально созданными органами; регионального мониторинга, осуществляемого в пределах крупных районов, интенсивно осваиваемых народным хозяйством, например в пределах геосистем, территориально-производственных комплексов; локального (биоэкологического) мониторинга, включающего слежение за изменениями качества среды в пределах населенных пунктов, промышленных центров, непосредственно на предприятиях-. Примером локального мониторинга является постоянная система наблюдения и контроля загрязнения воздуха в городах, на транспортных магистралях, осуществляемая при помощи стационарных, передвижных или подфакельных постов. Такая система существует в большинстве крупных городов нашей страны. Акад. И. П. Герасимов подразделяет систему мониторинга на блоки, каждый из которых имеет свои задачи и базу обеспечения (табл. 2.5). К локальному мониторингу относится и деятельность сани- тарно-промышленных лабораторий на предприятиях. В задачи этих лабораторий входят, в частности, постоянные наблюдения за загрязнением воздуха в цехах и на промышленных площадках, воды в установленных створах водных объектов. Для осуществления мероприятий по глобальному и национальному мониторингу, т. е. для получения информации об изменениях качества среды, происходящих уже на биосферном уровне, необходима организация специальных служб. Базой такого мониторинга являются длительно действующие территориальные комплексы с минимальным или практически нулевым предшествующим антропогенным воздействием. 125
Таблица 2.5. Система наземного мониторинга окружающей среды По И. Я. Герасимову, 1981 Блок мониторинга Объекты мониторинга Характеризуемые показатели Службы и опорные базы Биологический (санитарный) Геосистемный (хозяйственный) Биосферный (глобальный) Приземный слой воздуха Поверхностные и грунтовые воды Промышленные и бытовые стоки и выбросы Радиоактивные излучения но-эпидемиологиче Содержание токсиг Гидрометеорологических веществ ческая, водохозяй- Физические и био- логические раздражители (шумы, ал- ская лергены и др.) Степень радиоизлучения Исчезающие виды Функциональная животных и расте- структура природ- ний ных экосистем и ее нарушения Природные стемы Агросистемы экоси- Популяционное состояние растений и животных Урожайность сельскохозяйственных культур Лесные экосистемы Продуктивность насаждений Атмосфера (тропо- Радиационный ба- Международные сфера) и озоновый ланс, тепловой пе- биосферные стан- экран Гидросфера регрев, газовый со- ции став и запыление Загрязнение больших рек и водоемов; водные бассейны, круговороты на обширных водосборах и континентах Растительный и Глобальные харак- почвенный покров, теристики состоя- животное население ния почв, растительного покрова и животных. Глобальные балансы СО2 и О2. Крупномасштабные круговороты веществ 126
Иначе говоря, необходимо иметь места, где сохранился бы некоторый фоновый уровень качества среды, в сравнении с которым устанавливалась бы и степень воздействия человека на биосферу. Сеть биосферных заповедников (станций) должна быть составной частью системы национального мониторинга, т. е. службы наблюдения и контроля окружающей природной среды на территории страны. В задачу биосферных заповедников входит проведение постоянных наблюдений и определение фоновых параметров современного состояния биосферы, а также сопоставление их с изменениями, вызываемыми антропогенным воздействием. Кроме того, биосферные заповедники на данном этапе должны вести регулярные и периодические целевые наблюдения над экосистемами с тем, чтобы выработать научно обоснованные лараметры для контроля состояния среды. Территория заповедника должна зонироваться, т. е. иметь центральную зону, удаленную от источника воздействия не менее чем на 50—100 км, со строгим режимом охраны; буферную, Таблица 2.6. Фоновые значения содержания загрязняющих веществ в окружающей среде По Ф. Я. Ровинскому и др., 1979 Воздух Поверхностные воды Донные отложения Почва Растительный материал мг/м8 мкг/л мкг/г мкг/г мкг/г 1600—16000 125-3750 Среда Единица измерения Загрязняющее вещество ртуть свинец кадмий Воздух нг/м3 Поверхностные мкг/л воды Донные отложения мкг/г Почва мкг/г Растительный мкг/г материал 0,2—10 0,01— 0.1 6-9 0,3-4 0,01—0,9 0,01—0,7 20—35 — 0,02—0,15 6,3—13,3 0,01-0,9 0,001—0,07 1—13 0,04-0,5 1,35-1 0,05-10 1,6—5,9 127
в пределах которой ставятся эксперименты, осуществляются опытные хозяйственные мероприятия; а также учебно-демонстрационную, куда возможен допуск посетителей. Вполне понятно, что каждый подобный заповедник по уровню, объему проводимых в нем исследований, а также по степени оснащенности должен быть крупным научно-исследовательским учреждением. Необходимо иметь в виду, что создание такого учреждения уже само по себе невозможно без воздействия на окружающую среду, поскольку возникают вопросы коммуникаций, энергоснабжения, бытового обеспечения и др. В настоящее время статус биосферных заповедников, в пределах которых размещаются так называемые «фоновые станции», придан восьми заповедникам, в частности Березинскому, Кавказскому, Приокско-Террасному, Сихоте-Алинскому и др. С 1976 г. существует опытная фоновая станция в районе озера Боровое (Сев. Казахстан), на которой осуществляются наблюдения за фоновым уровнем загрязнения природной среды различными ингредиентами (табл. 2.6). 2.10. БИОИНДИКАЦИЯ И БИОТЕСТИРОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЙ Наряду с приборными методами оценки загрязнения природной среды, используются методы так называемой биологической индикации и биотестирования, основанные на учете живых организмов (тест-объектов), особенно чувствительных к конкретным химическим примесям. Наибольшее распространение получил в настоящее время метод лихеноиндикации (от лат. лихен — лишайник), основанный на учете количества лишайников в городских насаждениях, районах крупных предприятий. Установлена четкая связь между встречаемостью лишайников на стволах деревьев и полями загрязнения воздуха в городах. В лесных экосистемах удобным тест-объектом могут служить жуки-короеды. Необратимо ослабленные отмирающие деревья обильно заселяются короедами, но в случаях гибели насаждений именно от загрязнения атмосферного воздуха химическими веществами короеды не получают широкого распространения. Поэтому факт отмирания насаждений при отсутствии заселения деревьев короедами может служить индикатором наличия в воздухе загрязняющих веществ промышленного происхождения. Биотестирование считается в настоящее время необходимым условием получения интегральных оценок загрязненности воды ксенобиотиками, поскольку нормируются далеко не все загрязняющие вещества и далеко не все могут быть определены непосредственным химическим экспериментом. Кроме того, в ряде случаев требуются быстрые (экспрессные) методы устано'вле- 128
ния самого факта загрязненности воды, особенно в условиях аварийных ситуаций *. В качестве организмов-индикаторов используются водооби- тающие микроорганизмы, в частности бактерии, а также водоросли, беспозвоночные (инфузории, коловратки, ракообразные, моллюски). Надежным тест-объектом могут служить некоторые виды рыб. Отметим, что на некоторых крупных внеплощад- ных очистных сооружениях во вторичных отстойниках (перед сбросом очищенных вод) содержат рыбок гуппи. Исследуемыми показателями являются, например, люминесценция светящихся бактерий и водорослей, электрическая реакция клеток водорослей, двигательная активность инфузорий, их выживаемость, нарушение фототаксиса (движения на свет) коловраток, реакция закрывания створок моллюсков, дыхательная и сердечная активность рыб и многое другое. Существует метод определения загрязненности воды ионами тяжелых металлов по изменению двигательной активности пиявок. Обычно при помещении пиявок в опытные сосуды у них наступает спад активности (статичное состояние), однако при внесении в воду загрязненной воды это состояние меняется на динамичное — с активным движением. Оловоорганические соединения в воде подавляют интенсивность роста опытных штаммов бактерий. Люминесцентная микроскопия основана на способности некоторых соединений, входящих в состав клеток водорослей, светиться, например, ярко-красным светом при облучении их ультрафиолетовыми или короткими сине-фиолетовыми лучами. Так, ярко-красное свечение характерно для жизнеспособных клеток, тусклое — для клеток с ослабленной жизненной активностью, оранжево-красное — для отмирающих, а голубовато-зеленое — для мертвых клеток. Используя специальные шкалы, можно определить факт наличия или отсутствия токсичных веществ в исследуемой воде, а также иногда — их концентрацию. Как правило, биотестирование не позволяет установить спектр загрязняющих веществ в воде (если они заранее неизвестны), но дает возможность быстро установить факт загрязненности. Однако, используя различные тест-объекты, можно получить информацию и о составе загрязняющих веществ. Известный исследователь А. Н. Крайнюкова A988) называет задачи мониторинга, которые могут решаться при помощи биотестирования: токсикологическая оценкд промышленных и городских сточных вод с целью выявления потенциальных источников высокого и экстремально высокого их загрязнения; * Материал приводится по книге «Методы биотестирования вод»/Госко- митет СССР по охране природы. Черноголовка, 1988. 129
контроль в оперативном и непрерывном режимах аварийных и иных залповых сбросов высокотоксичных сточных вод; оценка степени токсичности сточных вод на разных стадиях их формирования для проектирования локальных очистных сооружений; контроль токсичности сточных вод, подаваемых на сооружения биологической очистки, с целью предупреждения поступления токсичных веществ в биоценоз активного ила; определение уровней безопасного разбавления сточных вод для организмов гидробионтов при корректировке и установлении предельно допустимых сбросов; токсикологическая оценка сбросных и дренажных вод и выявление водных объектов с опасным уровнем загрязнения воды; экологическая экспертиза новых технологий и материалов, проектов строительства, и реконструкции очистных сооружений. 2.11. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Загрязнением в узком смысле считается привнесение в какую-либо среду новых, не характерных для нее физических, химических и биологических агентов или превышение естественного среднемноголетнего уровня этих агентов в среде. Необходимо понять, что с экологических позиций те или иные компоненты вносятся не просто в воду, атмосферный воздух или почву — объектом загрязнения всегда является экосистема (биогеоценоз). Кроме того, избыток одних веществ в природной среде или просто наличие в ней других веществ (новых примесей) означает изменение режимов экологических факторов, поскольку вредные вещества по сути дела являются экологическими факторами. Следовательно, режим этих факторов (или их состав) отклоняется от требований экологической ниши того или иного организма (или звена в пищевой цепи). При этом нарушаются процессы обмена веществ, снижается интенсивность ассимиляции продуцентов, а значит, и продуктивность биоценоза в целом. Таким образом, загрязняющим агентом может быть любое вещество, находящееся в составе воздуха, воды, почвы. Вещества, входящие в состав окружающей среды, называют ингредиентами. Ингредиенты могут иметь как природное (например, вулканические извержения, пыльца растений, поднимаемая ветром пыль и т. п.), так и антропогенное (в результате деятельности Общества) происхождение. Загрязнение среды — сложный, многообразный процесс. Химические соединения, находящиеся в отходах производств, •оказываются обычно там, где изначально их не было. Многие из них химически активны и способны взаимодействовать с мо- 130
лекулами, входящими в состав тканей живого организма, или активно окисляться на воздухе. Понятно, что такие вещества оказываются ядами по отношению ко всему живому. Отрицательные влияния изменения качества внешней химической среды на метаболизм живых организмов в последнее время получили название «экологических ловушек». ВТ качестве примера такой ловушки приводят воздействие метилртути (CH3Hg+) на физиологические процессы в организме человека (болезнь «Минамата»), а также влияние некоторых пестицидов (средств защиты растений; от лат. пестис — зараза, циде — убиваю). Так, например, известное вещество диизопропилфтор- фосфат (ДФФ) оказывает ин активирующее влияние на фермент ацетилхолинэстеразу, выполняющий важную роль ингибирова- ния ацетилхолина, накапливающегося при нейрохимических процессах в нервных тканях. Ядохимикаты опасны не только для тех видов, против которых они используются. Применение их в хозяйственных целях может приводить к сильному загрязнению среды и нежелательным последствиям. В свое время открытие инесектицидных свойств дихлордифенилтрихлорэта- на (ДДТ) было оценено Нобелевской премией. Его мировое производство в течение почти 30 лет достигало ежегодно 100 тыс. т, а применение спасало урожаи многих сельскохозяйственных культур, а также и лесные насаждения. Препараты ДДТ создавали помехи в экосистемах для экономически вредных консументов, защищали урожаи, но сам ДДТ и некоторые примеси в препаратах, помимо токсичности для теплокровных животных, обладают способностью прогрессивно накапливаться в звеньях пищевых цепей. Есть данные, что при попадании препаратов, близких к ДДТ, в воду в количестве* 0,014 части на миллион его содержание в планктоне составляет уже 0,5 частей на миллион, а в мышцах рыб — 221 часть, т. е. возрастает более чем в 104 раз. Неожиданно ДДТ обнаружили в тканях пингвинов в Антарктике, где его никогда не применяли. Сейчас его использование запрещено. Особенно опасными являются диоксины, которые называют суперэкотоксикантами в силу их чрезвычайно высокой токсичности и биологической активности. Диоксины — это группа веществ, которая включает дибензо-1,4-диоксины (ПХДД), дибензофураны (ПХДФ) и бифенилы (ПХБФ). В эту группу входят сотни хлор-, бром- и хлорброморганических циклических эфиров, Диоксины образуются во многих технологических процессах — от целлюлозно-бумажного, металлургического и других производств до биологической очистки сточных вод и хлорирования питьевой воды, сжигания отходов, сгорания топлива в двигателях. Эти вещества по своей токсичности превосходят соединения тяжелых металлов, хлорорганические пестициды (ДДТ, гекса- 131
хпоран и пр.), а по канцерогенное™ т—ароматический углеводород бензпирен. Диоксины способны накапливаться в организме, вызывая, наряду с острыми, хронические отравления и являясь причиной многих тяжелых заболеваний: перерождения кожи и слизистых оболочек, нарушений в развитии плода у женщин, разрушения печени, злокачественных новообразований. Они также могут быть причиной иммунодефицита, и в этом смысле их иногда сравнивают с вирусом СПИД. Перечень «экологических ловушек» можно дополнить примером с нитратами и нитритами, связанными с широким применением в качестве удобрений нитратов в сельском хозяйстве. Нитраты — соли азотной кислоты (селитры). В качестве агентов азотного питания растений применяются натриевая селитра (NaNO3), калийная (KNO3), аммонийная (NH4NO3) и некоторые другие виды селитр. Интенсивное поступление нитратов в растения приводит к тому, что они не полностью включаются в обменные процессы и накапливаются в листьях, стеблях и корнях, причем избыток частично восстанавливается до аммиака. Непосредственно для растений избыток нитратов значительной опасности не представляет, но при попадании в организм теплокровных с пищей они превращаются в значительно более токсичные нитриты, вступающие во взаимодействие с аминами и амидами (продуктами взаимодействия аммиака с радикалами или металлами). В результате возможно образование нитрозо- соединений — нитрозаминов и нитрозамидов. Накопление в организме человека нитратов при длительном употреблении такой растительной пищи вызывает тяжелые нарушения обмена веществ, аллергию, нервные расстройства. В крови нитраты превращают двухвалентное железо гемоглобина в трехвалентное, что нарушает перенос кислорода от легких к тканям. Что касается нитрозосоединений, то в ряде случаев они способны вызывать злокачественные новообразования, рак желудка, лейкоз. Поступление нитратов в организм в дозе более 5 мг на 1 кг массы тела уже является опасным. Суточная доза поступающих в организм с пищей нитратов не должна превышать 320 мг, а нитритов—9 мг. Другим примером «экологической ловушки» являются радиоактивные отходы, содержащие радионуклиды. Последние поступают в окружающую среду с промышленными отходами или с радиоактивными выбросами атомной энергетики. Под радиоактивными отходами понимают непригодные к использованию жидкие и твердые материалы и предметы, содержащие радионуклиды, или побочные биологически и/или технически вредные вещества, содержащие образовавшиеся в результате технической деятельности радионуклиды. 132
Радионуклиды — это те изотопы элементов, которые испускают радиоактивное излучение, способное выбивать электроны из атомов и присоединять их к другим атомам с образованием пар положительных и отрицательных ионов. Такое излучение называют ионизирующим. У некоторых веществ все изотопы ябляются радиоактивными. Таковыми, в частности, являются технеций, прометий, а также все элементы таблицы Д. И. Менделеева, начиная с полония и кончая трансурановыми. Большой вклад в радиационное загрязнение среды внесли испытания атомного оружия, которые привели к выпадению осадков, содержавших радионуклиды. Экологическое значение имеют три вида ионизирующего излучения: корпускулярное (два вида) и электромагнитное. Корпускулярное излучение — это поток частиц, представляющих собой ядра гелия (альфа-излучение) или быстрых электронов (бета-излучение). Электромагнитное ионизирующее излучение — это гамма-излучение и близкое к нему рентгеновское. Альфа- и бета-излучение оказывают воздействие на организм, в основном будучи им поглощенными, а испускающие их вещества относят к «внутренним» излучателям, в то время как гамма-излучение может оказывать воздействие на организм, находясь вне его. Ионизирующее излучение оказывает наибольшее воздействие на высокоразвитые организмы, в первую очередь — на человека. Наиболее устойчивы к нему микроорганизмы. Экспериментальные исследования показали, что вблизи мощных источников гамма-излучения (кобальт-60, цезий-137) с активностью 3,7- 1014 Бк A0 тыс. Ки) не выживает ни одно высшее растение или животное. Воздействия различных радионуклидов на орга- йизм отличаются значительным разнообразием, хотя в целом для них типичны мутагенный и бластомогенный эффекты. Например, при низких дозах иода-131 нарушаются функции щитовидной железы, а при высоких — образуются злокачественные опухоли. Другой опасный радионуклид — стронций-90, который образуется в ядерных реакторах и в результате ядерных испытаний. Он поступает в организм через желудочно-кишечный тракт, легкие, кЬжные покровы, накапливается в скелете и мягких тканях. Стронций вызывает патологические явления в крови, ведет к внутренним кровоизлияниям, деструкции костного мозга. В отдаленные сроки после поражения (в последующих поколениях) возможны опухоли, лейкозы. Последствия загрязнения далеко не всегда ощущаются сразу. Скачкообразным проявлениям загрязнения нередко предшествуют скрытые, не обнаруживаемые сразу формы. Именно поэтому необходима своевременная индикация загрязнения в самые начальные его моменты. 133
Но загрязнение — это не только поступление в природную <феду вредных веществ. При отводе воды от систем охлаждения в водные объекты возникает изменение естественного режима температуры в этом объекте, представляющее собой тепловое загрязнение. Причем тепловое загрязнение — это не обязательно повышение температуры воды, возможно и ее понижение. Важно именно то, что меняется режим температуры. Известны факты, когда сброс теплых вод создавал тепловой барьер для рыб на их путях к нерестилищам. В отличие от химического (ингредиентного) загрязнения, подобные формы представляют собой физическое (или параметрическое) загрязнение, связанное с отклонением от нормы физических параметров окружающей среды. Наряду с тепловым (термальным), опасными видами загрязнения являются световое— нарушение естественного режима освещенности в том или ином месте в результате воздействия искусственных источников света, приводящее к аномалиям в жизни животных и растений; шумовое — в результате увеличения интенсивности и повторяемости шума сверх природного уровня; вибрационное; электромагнитное, возникающее в результате изменения электромагнитных свойств среды из-за наличия линий электропередач, мощных электроустановок, разного рода излучателей и приводящее к местным и глобальным геофизическим аномалиям и изменениям в тонких биологических структурах; радиоактивное — превышение естественного урозня содержания радиоактивных веществ в окружающей среде. Биологическое загрязнение может быть не менее опасным: достаточно вспомнить эпидемии таких болезней, как холера, грипп или чума, возбудителями которых являются микроорганизмы (микробиологическое загрязнение)— бактерии, вирусы. Недостаточно очищенные и обезвреженные бытовые сточные воды содержат большой комплекс патогенных микроорганизмов, вызывающих кожные, кишечные и иные заболевания. В ряде случаев случайно интродуцированные (переселенные) в новые экосистемы животные или растения (макробиологиче- ское загрязнение) могут приносить большой ущерб хозяйству. Так случилось, например, в Европе с американским колорадским жуком, ставшим здесь массовым вредителем пасленовых. Европа «отплатила» Америке случайным заносом в дубовые леса непарного шелкопряда, который быстро размножился, найдя свою экологическую нишу, и на долгие годы стал опасным вредителем. С кибернетических позиций загрязнение представляет собой комплекс помех в экосистемах, воздействующих на потоки энергии и информации в пищевых (энергетических) цепях. Но эти помехи бесконечно превышают приспособительные возможности организмов, определяемые эволюционно выработанной на уров- 134
не популяций нормой реакции, т. е. экологическим стандартом. Поэтому, в отличие от естественных помех, помехи антропогенные очень часто ведут не к отбору, а к массовой нестатистической элиминации (вымирания) организмов. К настоящему времени на Земле практически не осталось экологических систем, не подверженных в той или иной мере антропогенному воздействию. Наряду с помехами, возникающими в экосистемах в качестве косвенных последствий тех или иных мероприятий, в ряде случаев человек создает направленные помехи в каналах информации между компонентами экосистем. Наиболее типичным является направленное загрязнение среды ядохимикатами специально для уничтожения хозяйственно вредных насекомых (инсектициды), грибов (фунгициды), травянистых (гербициды) и кустарниковых (арбори- циды) сорняков и др. Применение последних означает воздействие на уровень продуцентов, а следовательно, и на все пищевые цепи, связанные именно с уничтожаемыми растениями- сорняками. При этом происходит воздействие на все уровни организации жизни — от биогеоценоза в целом до популяций и отдельных индивидуумов (рис. 2.25). Классическим примером использования направленных помех является защита дубовых лесов в США от непарного шелкопряда. В одном из вариантов защиты лесов использовали то обстоятельство, что небольшой подвижный самец находит более крупную малоподвижную самку по запаху выделяемого ею привлекающего вещества, причем на довольно значительном расстоянии (десятки и сотни метров). Путем специальных исследований ученым удалось идентифицировать химический состав этого вещества (аттрактанта) и создать его искусственный аналог. Этим аналогом пропитывали (или покрывали) мелкие кусочки специальной бумаги, которые рассеивали над лесами с самолетов, создавая тем самым запаховый фон и препятствуя ориентированию самцов в поисках самок. Помехи можно разделить условно на предельные идо- предельные (частичные) на уровне экосистем (биогеоценозов) . Например, уничтожение ядохимикатами хозяйственно значимых вредителей в лесах, отстрел части популяций животных, вылов отдельных видов промысловых рыб — это частичные помехи, поскольку они влияют лишь на отдельные звенья пищевых цепей, не затрагивая пищевых сетей в целом. Чем сложнее пищейая сеть, структура экосистемы, тем значимость таких помех меньше, и наоборот. В то же время выброс и сброс в атмосферу или воду химических ксенобиотиков, например оксидов серы, азота, углеводородов, соединений фтора, хлора, тяжелых металлов, радикально меняет качество среды, создает помехи на уровне продуцентов в целом, а значит, и ведет к полной 135
8 «с раз] раз лам раз ^ эыв рыв рыв Помехи, вызываемые загрязняющими веществами Биогеоценоз Экологическая ниша (место обитания) Популяция (генофонд) Особь (фенотип) Изменение микроклимата Прерывание энергетического потока Элиминация продуцентов Исчезновение мест локализации экологических ниш а) обратимое б) необратимое Элиминация Помехи в обмене популяционной информацией Нарушение панмиксии и баланса Распад популяций регулируемых агентов - возбудителей заболеваний, хищников Нарушение режима трофики Смертность Мутагенез а) обратимый б) необратимый Толерантность Рис. 2.25. Концептуальная схема воздействия загрязняющих веществ направ-. ленного (гербицидного) действия на, экосистему деградации экосистемы: так как погибает основной трофический уровень — продуценты. В индустриальных районах присутствие в иочве тяжелых металлов приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур, в частности продукция пшеницы снижается на 20—30, картофеля —до 47, сахарной свеклы —на 35%, 136
Вырубка древостоев или распашка целинной степи означает полное уничтожение бывшей на этом месте экосистемы. В лучшем случае после этого на месте уничтоженных возникают новые, хотя и менее продуктивные экосистемы, в худших — происходит эрозия почв, опустынивание. Последнее типично отнюдь не только для засушливых и жарких районов. Подобные песчаные безжизненные пустыни имеются, например, на Кольском полуострове — в тех местах, где были вырублены или сгорели сосновые леса. Следует отметить, что разрушение экосистем означает и деградацию биосферы в целом, снижение ее общей продукции. Вырубка лесов, эрозия почв, замещение природных ландшафтов горными выработками, водохранилищами, урбанизированными* территориями снижает общую биомассу фотосинтетиков, на значительных площадях может прерывать процессы биотического круговорота. Источником комплекса помех являются шахтные отвалы и терриконики, в которых происходят сложные физико-химические процессы с выделением вредных веществ в атмосферу, воду и почву. Возможно самовозгорание терри- коников. В некоторых случаях загрязнение принимает самые неожиданные формы. Например, опасным источником загрязнения водоемов в США оказалась спортибная охота, и даже велась борьба за запрещение использования свинцовой дроби, поскольку водоплавающие птицы принимают ее за гравий и семена растений. Считается, что ежегодно в США от отравления свинцом погибают 2,4 млн водоплавающих птиц (примерно 2,5 % от всех пролетных), поскольку за охотничий сезон на дне водоемов остается около 3 тыс. т свинцовой дроби**. С экологических позиций спортивная охота на млекопитающих и птиц представляет собой активную форму воздействия на популяции, которую можно также рассматривать в качестве комплекса помех, а значит и загрязнения. Это, прежде всего,— образование фактора беспокойства (шум, запахи), нарушение оптимального баланса популяций, их численности и плотности,, возрастной и сексуальной структуры. Так, для популяции дикой утки одинаковые последствия (распад популяции) наступят и в том случае, если из нее изъято особей больше, чем можно (перепромысел), и если тростниковые заросли, среди которых она гнездится, будут уничтожены при заготовке тростника для промышленно-хозяйственных нужд, и если водный объект, где обитает популяция утки и присутствует популяция тростника, окажется загрязненным промышленными стоками, и если яйца в гнездах начнут уничтожаться хищниками, например интроду- цированной енотовидной собакой. * От лат. urbs — город: замещение природных ландшафтов городским. ** Реф. журнал «Охрана природы», № 9, 1978. 137
Аналогично —для популяций осетровых рыб одинаковые последствия наступят в результате перепромысла, загрязнения отходами и перекрывания русла реки плотиной, не оборудованной рыбоходом. Все эти совершенно различные по происхождению и природе воздействия (факторы) имеют объединяющий их признак: они являются нестатистическими помехами в экологических системах и популяциях и ведут к одному и тому же результату — снижению продуктивности популяции, экосистемы, а далее — и к их распаду*. Загрязнение окружающей среды — это любое внесение в ту или иную экологическую систему (биогеоценоз) не свойственных ей живых или неживых компонентов, физических или структурных изменений, прерывающих или нарушающих процессы круговорота и обмена веществ, потоки энергии с непременным следствием в форме снижения продуктивности или разрушения данной экосистемы. Рассматривая загрязнение как комплекс помех, его можно классифицировать следующим образом (рис. 2.26): ингредиентftoe (химическое) загрязнение, представляющее собой совокупность веществ, количественно или качественно чуждых естественным биогеоценозам; параметрическое (физическое) загрязнение, связанное с изменением качественных параметров окружающей среды; биоценотическое загрязнение, заключающееся в воздействии на состав и структуру популяций живых организмов; стациально-деструкционное загрязнение, представляющее собой изменение ландшафтов и экологических систем в процессе природопользования, связанном с оптимизацией природы в интересах человека. Другая классификация загрязнения предложена Р. Парсо- ном и включает в себя тип загрязнения, его характер, источники, последствия и меры контроля. Так, он выделяет следующие типы загрязнителей**: сточные воды и другие нечистоты, поглощающие кислород; носители инфекций; вещества, представляющие питательную ценность для растений; * Статистические (или статистически случайные) помехи — это факторы, вызывающие искажение информации внутри популяций или экосистем, например паразиты, хищники, мутагены и др., которые имеют природное происхождение и обеспечивают естественный отбор, выработку адаптации, эволюцию. Они, как правило, находятся в пределах толерантности групп организмов. Нестатистические помехи, как правило, имеют антропогенное (иногда природное) происхождение, и их воздействие исключает адаптацию и отбор, так как выходит за пределы толерантности самых устойчивых индивидуумов. ** В нашей стране Государственный стандарт 17.2.1.04—77 «Атмосфера. Термины и определения» считает слово «загрязнитель» недопустимым к использованию. 138
ЗАГРЯЗНЕНИЕ СРЕДЫ X ИНГРЕДИЕНТНОЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ X минеральное продукты сгорания ископаемого топлива отходы химичес к их производств шахтные отвалы и терри коники отходы металлургии органическое продукты сгорания в ДВС ядохимикаты и удобрения аварийные сбросы в акваториях нефтедобы ча и переработка прочие бытовые стоки и мусор микробиологические препараты отходы пишевой промышленности отходы животио- водчес кихферм прочие шумовое тепловое световое радиаци- онное Iэлектро- I магнитное X БИОЦЕНОТИЧЕСКОЕ комплексный фак тор беспокойства нарушение баланса популяции случайная и направленная интродукция и акклиматизация видов нерегул иру емый сбор, отлов, отстрел, бра коньерство перепромысел Рис. 2.26. Классификация загрязнения экологических систем вырубка лесных насаждений зарегулирование водотоков карьерная разработка ископаемых дорожное строительство 1 СТАЦИАЛЬНО- ДЕСТРУКЦИОННОЕ эрозия почв осушение земель урбанизация лесные и степные пожары прочие формы, связанные с разрушением и преобразованием экосистем
органические кислоты и соли; минералы и неорганические кислоты и соли; твердый сток; радиоактивные вещества. Резюмируя изложенное, можно кратко сформулировать последствия загрязнения следующим образом. 1. Ухудшение качества окружающей среды для жирых организмов, т. е. детериорация. 2. Образование нежелательных потерь вещества, энергии, труда и средств, приложенных человеком к добыче й заготовке сырья и материалов, превращающихся в безвозвратные отходы, рассеиваемые в биосфере. 3. Необратимое разрушение как отдельных экологических систем, так и биосферы в целом, включая воздействие на глобальные физико-химические параметры среды. 4. Потери плодородных земель, снижение продуктивности экологических систем и биосферы в целом. 5. Прямое или косвенное ухудшение физического и морального состояния человека как главной производительной силы общества. Поэтому защита окружающей среды от загрязнения является одной из ключевых в общей проблеме оптимизации природопользования, сохранении качества среды для настоящего и будущих поколений людей.
Глава 3. ХИМИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Выше указывалось, что в основе жизни находится обмен веществом между организмом и окружающей его средой, пред- ставляющий собой совокупность химических (биохимических) процессов. В конечном счете живой организм — это сложная химическая «машина», осуществляющая ассимиляцию, трансформацию и диссимиляцию химических элементов, входящих в состав сложных органических и неорганических соединений. В то же время экологическая система как структурная часть биосферы, являющаяся источником требуемых организму материальных ресурсов, представляет собой химическую среду обитания. От соответствия химического состава биосферы требованиям живых организмов зависит жизнедеятельность последних. На уровне экосистемы и биосферы в целом также происходят непрерывные физико-химические процессы, в общем случае представляющие собой биогеохимические циклы. Составным элементом последних является биотический круговорот, т. е. та часть биогеохимических циклов, в которой непосредственно участвуют живые организмы. Взаимодействие живого и неживого на глобальном уровне лежит в основе учения В. И. Вернадского о биосфере. Деятельность общества оказалась в настоящее время мощной геологической, геофизической, геохимической силой, радикально трансформирующей химию биосферы. Причем большинство современных специалистов связывают эти изменения с процессами загрязнения твердой, жидкой и газообразной составляющих биосферы. Разумеется, загрязнение нельзя сводить только к поступлению новых химических соединений в экосистемы в результате преобразования масс вещестза в процессе промышленного производства и утилизации энергоносителей. Человек влияет на биогеохимические циклы не только на экоси- стемном, но и на биосферном, а также на планетарном и околоземном космическом уровне. 3.1. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВА В БИОСФЕРЕ Мы видели, что зеленые растения используют солнечную энергию и синтезируют органическое вещество из диоксида углерода, воды, минеральных элементов почвы. Это вещество накапливается в биосфере, частично консервируется в виде, например, торфа, каменного угля, сланцев, донных отложений океана. 141
Эти процессы идут уже сотни миллионов лет. Но поскольку Земля — конечное физическое тело, то любые химические элементы (в чистом виде или в виде соединений) также физически конечны. За миллионы лет их ассимиляции фотосинтетиками они должны были, казалось бы, оказаться исчерпанными, полностью связанными в мертвой органике, превратиться в косную материю. Но, как мы знаем, эти процессы происходят и в настоящее время. Более того, человек постоянно стремится к их интенсификации, повышая продуктивность создаваемых им экологических систем. В. Р. Вильяме писал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного — это заставить конечное вращаться по замкнутой кривой, т. е. вовлечь его в круговорот. Действительно, все вещества на нашей планете находятся в процессе биогеохимического круговорота. Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический). Большой круговорот происходит в течение сотен тысяч или миллионов лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворенные в воде питательные вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан. Здесь они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками, с извлеченными человеком из воды организмами. Крупные медленные геотектонические изменения, процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь. Малый круговорот является частью большого и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и осуществление жизненных процессов как их самих, так и организмов-консументов. Продукты распада органического вещества попадают в распоряжение почвенной микрофлоры и ме- зофауны (бактерий, грибов, червей, моллюсков, простейших и др.) и, как мы видели, вновь разлагаются до минеральных компонентов, опять-таки доступных растениям и вновь вовлекаемых ими в поток вещества. Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии или энергии химических реакций носит название биогеохимического цикла. Круговорот углерода, как и любого другого элемента, совершается по большому и малому циклам. Большой (геологический) круговорот углерода можно представить в виде схемы, изображенной на рис. 3.1. 142
Углерод атмосферы, литосферы, биосферы Химическое выветривание Углерод изверженных пород, карбонатов Выделение диоксида углерода Вынос в океан Отложения карбонатов в океанах и морях Метаморфоз • Метаморфические породы Рис. 3.1. Большой круговорот углерода По Р. Риклефсу, 1979 Биотический круговорот углерода является составной частью большого круговорота и связан с жизнедеятельностью организмов. Углерод, содержащийся в виде СОг в атмосфере B3,5 X ХЮ11 т), служит сырьем для фотосинтеза растений и далее поступает вместе с веществом, в котором он аккумулирован, в пищевые цепи: в распоряжение консументов разных уровней, а далее—редуцентов. При дыхании организмов СОг возвращается в атмосферу. Определенная часть углерода накапливается в виде мертвой органики, частично переходит в ископаемое состояние. Так, залежи каменного угля или торфа — это и есть органическое вещество — продукт процессов фотосинтеза растений прошлых геологических эпох. В связи с тем, что солнечную энергию, аккумулированную (негэнтропированную) в ископаемом топливе, человек интенсивно высвобождает при сжигании этого топлива, возникает так называемый биолого- технический круговорот углерода, поскольку при сжигании топлива диоксид углерода дополнительно поступает в атмосферу (рис. 3.2). Основная масса углерода аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана A,3-1016 т), кристаллических породах A,0 • tO16 т), в каменном угле и нефти C,4- 1015 т). Именно этот углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте. Жизнь на Земле й газовый баланс атмосферы поддерживаются участвующими в малом (биогенном) круговороте относительно небольшими количествами углерода, содержащегося в растительных E-1011 т) и животных E-109 т) тканях. Однако в настоящее время человек интенсивно замыкает на себя круговорот веществ, в том числе углерода. Так, например, подсчитано, что суммарная биомасса всех домашних 143
Промышленное использование Горение Дыхание Свободный СО, в воде -^ Со2 ФОГОСИНТКЗ> :-^~ ^ уголь Нефть океанов -* в воздухе -^ растения Рис. 3.2. Трансформация и использование СО2 в природе животных уже превышает биомассу всех диких наземных животных. Площади культивируемых растений приближаются к площадям естественных биогеоценозов, и многие культурные экосистемы по своей продуктивности, непрерывно повышаемой человеком, значительно превосходят природные. С другой стороны, поступление диоксида углерода в атмосферу в результате сжигания энергоносителей ведет к глобальным изменениям в биосфере — прежде всего в отношении теплового баланса. Стойкое увеличение содержания СОг в атмосфере в связи с сжиганием топлива подтверждается прямыми наблюдениями и расчетами. За последнее столетие содержание СОг увеличилось на 10 % от его современной концентрации, причем основная доля приходится на последние десятилетия, В атмосфере задерживается около половины «антропогенного» диоксида углерода, а остальное поглощается водами Мирового океана и, отчасти, живыми (в первую очередь, автотрофными) организмами. Считается, что наземные экосистемы ежегодно ассимилируют около 12 % диоксида углерода, т. е. общее время его переноса в круговороте составляет 8 лет. Круговорот азота. Несмотря на то что в составе воздуха 78 % азота, непосредственно ассимилировать его высшие организмы- продуценты не могут. Цикл азота состоит в следующем. Его главная роль заключается в том, что он входит в состав жизненно важных структур организма — аминокислот белка, а также нуклеиновых кислот. В целом в живых организмах содержится примерно 3 % всего активного фонда азота. Растения ежегодно потребляют около 1 % имеющегося в активном фонде азота, т. е. время его круговорота составляет 100 лет. От растений-продуцентов азотсодержащие соединения переходят к консументам, от которых после отщепления аминов от органических соединений азот выделяется в виде аммиака или моче- 144
вины (рис. 3.3), причем мочевина также превращается в аммиак в результате гидролиза. В дальнейшем в процессах окисления азота аммиака (нитрификации) образуются нитраты, способные ассимилироваться корнями растений. Часть нитритов и нитратов в процессе денитрификации восстанавливается до молекулярного азота, поступающего в атмосферу. Все эти химические превращения возможцы в результате жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, в частности свободноживу- щих аэробных и анаэробных бактерий, сине-зеленых и пурпурных водорослей. Так, хемосинтетики нитрозомонас превращают аммиак в нитриты, а нитробактер — в нитриты и нитраты.. Особенно значима в круговороте азота роль симбиотических (от греч. симбиоз — сожительство) клубеньковых бактерий, локализующихся на корнях растений преимущественно семейства бобовых. Бактерии родов азотобактер или ризобиум способны путем ферментативного расщепления молекул N2 фиксировать атмосферный азот и делать его доступным корневым системам растений. Круговорот азота в настоящее время подвергается сильному воздействию со стороны человека. С одной стороны, массовое производство азотных удобрений и [х использование приводит к избыточному накоплению нитратов. Азот, поступающий на тюля в виде удобрений, теряется из-за отчуждения урожая, выщелачивания и денитрификации. С другой стороны, при снижении скорости превращения аммиака в нитраты аммонийные Органический азот животных, растений (NH;> Мочевина (CO(NH,J) Аммонификация Аммиак (NH3) Ион аммония (NH+) Нитрификация 1 Продукция и ассимиляция растениями и животными Рис. 3.3. Круговорот азота По Р. Риклефсу, 1979 Нитраты (N0;) Фиксация азота клубеньковыми бактериями 145
удобрения накапливаются в почве. Возможно подавление деятельности микроорганизмов в результате загрязнения почвы отходами промышленности. Однако все эти процессы носят достаточно локальный характер. Гораздо большее значение имеет поступление оксидов азота в атмосферу при сжигании топлива на теплоэлектростанциях и на транспорте. Азот, «фиксированный» в промышленных выбросах, токсичен, в отличие от азота биологической фиксации. При естественных процессах оксиды азота появляются в атмосфере в малых количествах в качестве промежуточных продуктов, но в городах и промышленных районах их концентрации становятся опасными. Они раздражают органы дыхания, а под воздействием ультрафиолетового излучения возникают реакции между оксидами азота и углеводородами с образованием высокотоксичных и канцерогенных соединений. Круговорот фосфора. У живых организмов фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мебран, систем переноса энергии (аденозинди- и аденозинтрифосфат), костных тканей. Фосфор усваивается растениями из почвы в форме растворенных фосфат-ионов. Далее он переходит по пищевой цепи к животным и возвращается в почву в виде фосфатов, либо непосредственно — выводимый животными, либо опосредованно — в результате бактериального преобразования органических соединений, содержащихся в остатках отмирающих растений (детрите). Фосфаты при посредствефосфатредуцирующих бактерий образуют растворимые фосфат-ионы, опять доступные растениям (рис. 3.4). Растворенные фосфат-ионы Ассимиляция "синтез протоплазмы Растения (нуклеиновые кислоты, мембраны, энергоносители) Распад Ассимиляция Органический фосфор растительного детрита Животные (нуклеиновые кислоты, кости, зубы) Бактериальное преобразование Бактериальное - преобразование (фосфатреду циру ю- щис бактерии) Рис. 3.4. Упрощенная схема круговорота фосфора 146
МОРСКИЕ РЫБОЯДНЫЕ ПТИЦЫ ВКЛЮЧЕНИЕ В БИОМАССУ ЭКСКРЕМЕНТЫ МИНЕРАЛЫ •;% ФОСФАТЫ, О РАСТВОРЕННЫЕ МИНЕРуГ АПАТИТЫ^ ФОСФАТЫ ЛИЗ - - J—f 01 ГЛУБОКОВОДНОЕ ОСАЖДЕНИЕ Рис. 3.5. Круговорот фосфора с учетом интенсификации земледелия и эксплуатации других биологических ресурсов По Н. Ф. Реймерсу, 1990 Таков в общих чертах биогенный круговорот фосфора. Общий (большой) круговорот более сложен (рис. 3.5). Основной фонд фосфора, в отличие от азота и углерода, сосредоточен в горных породах, включая вулканический апатит, подвергающихся эрозии. В процессе эрозии образуются растворимые фосфаты, которые частью локализуются в почве, а частью выщелачиваются и сносятся в воду, где отлагаются в мелководных и глубоководных осадках. Возврат фосфора в почву или в поверхностные воды происходит различными путями, например за счет подъема океанических глубинных вод (апвеллинга). В пищевых цепях водных экосистем фосфор переходит от фи- 147
топланктона к рыбам, а далее — к морским птицам, возвращающим его на сушу. Последний перенос привел, в частности, к огромным скоплениям экскрементов птиц (гуано). В атмосфере фосфор практически отсутствует, если не считать кратковременно присутствующих пылевидных форм, и поэтому перенос происходит только в системе почва — вода. Сбалансированный круговорот фосфора означает, что его вынос с суши компенсируется возвратом на сушу, причем вынесенный фосфор не выключается из доступных фондов за счет образования, например, нерастворимых соединений. Антропогенная деятельность активно изменяет круговорот фосфора. При этом баланс в глобальном аспекте может существенно не нарушаться, а локальные изменения могут быть весьма значительными. Важнейшей формой влияния человека на круговорот фосфора является вовлечение в использование депонированных на суше отложений (минералов, фосфатов, апатитов) для производства миллионов тонн фосфорных удобрений, а также детергентов (моющих средств). Большая часть фосфора, внесенного с удобрениями в почву, смывается и исключается из круговорота Правда, значительная доля фосфора возвращается на сушу в результате вылова рыбы, часть которой также идет на производство удобрений. Дефицит фосфора, разумеется, пока fce угрожает, ибо запасы фосфорсодержащих пород велики, но избыточное поступление фосфора в воду в результате смыва удобрений и сброса промышленных и бытовых сточных вод приводит к резкому повышению продуктивности водных экосистем Скачкообразный рост массы фитопланктона (аэробного комплекса) приводит к связыванию кислорода и обеднению им воды, что негативно сказывается прежде всего иа рыбе, особенно на молоди, приводит к преобладанию анаэробных процессов, т. е. к явлению эвтрофикации. Круговорот серы. Данный цикл охватывает воду, почву и атмосферу. Основные резервы серы находятся в почве и в отложениях. Содержание серы в воздухе относительно невелико. На рис. 3.6 представлен этот круговорот, ключевым звеном которого являются процессы аэробного окисления сульфида (се- ^аддорода) до сульфата (SO2~) и анаэробного восстановления сульфата до сульфида. Эти реакции осуществляются соответствующими группами бактерий. Благодаря окислительно-восстановительным процессам происходит обмен серы между фондом доступного сульфата в аэробной зоне почвы и фондом сульфидов железа, расположенным глубоко в почве и в осадках (в анаэробной зоне). В результате микробного восстановления глубоководных отложений к поверхности воды движется НгБ, что, например, типично для Черного моря. Выделяющийся: 148
so, Абсорбция десорбция на глине ВЫСВОБОЖДЕНИЕ ФОСФОРА АТМОСФЕРА П6ЧВА > И ОСАДКИ СУЛЬФИДЫ ЖЕЛЕЗА Рис. 3.6. Круговорот серы «Кольцо» в центре схемы иллюстрирует процессы окисления (О) и восстановления (R), благодаря которым происходит обмен серы м жду фондом доступного сульфата и фондом сульфидов железа, находящимися глубоко в почве и в осадках. По /О. Оауму, 1986
из воды сульфид окисляется до сульфата атмосферным кислородом. Сульфат — основная форма серы, которая, доступна авто- трофам. Сера, как известно, входит в состав аминокислот. Круговорот серы находится под сильным влиянием антропогенной деятельности, в первую очередь, в результате сжигания ископаемого топлива. В органических энергоносителях всегда содержится то или иное количество серы, выделяющейся в виде диоксида, который, как и оксиды азота, токсичен для живых организмов. Диоксид серы способен интенсивно поглощаться надземным ассимиляционным аппаратом растений и в сильной степени подавлять процесс фотосинтеза вплоть до некроза и полной гибели листьев. Диоксид серы может реагировать с водяными парами атмосферы, образуя диоксид серы и далее — сернистую кислоту. Кроме того, большое количество серы как в элементарной форме (например, коллоидная сера), так и в виде сложных соединений (например, купоросов) используется в качестве средств уничтожения вредителей и болезней растений, что при- зодит к загрязнению почв на больших площадях, а также к проникновению серы в грунтовые и поверхностные воды. Круговорот кислорода. Основная масса кислорода на Земле находится в связанном состоянии в молекулах воды, оксидах, солях и иных твердых соединениях и непосредственно для использования в экосистеме недоступна. Доступный для фотосинтеза кислород содержится в атмосфере (приблизительно 1,1 X ХЮ15 т) и проходит через растительные компоненты биосферы Рис. 3.7. Круговорот кислорода По Р. Риклефсу, 1979 150
в течение 2,5 тыс, лет. В процессе фотосинтеза СОг превращается в органическое вещество с выделением свободного Ог. Однако специфика процесса состоит в том, что образующаяся при фотосинтезе молекула Ог один из атомов получает от СО2; а другой — от воды. При дыхании потребляемая молекула Ог один из атомов отдает воде, а другой — диоксиду углерода (рис. 3.7). 3.2. АНТРОПОГЕННЫЙ КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВА (РЕСУРСНЫЙ ЦИКЛ) Человек интенсивно трансформирует процессы круговорота- всех химических элементов не только на локальном (экосистем- ном) уровне, но и на уровне биосферы в целом, а также на глобальном, планетарном). Однако человеческое общество с его производством — часть биосферы и, как мы уже отмечали, принципиальных различий в утилизации природных ресурсов между человеком и другими организмами нет с точки зрения экологии: различия заключаются лишь в масштабах. Тот факт, что человек научился утилизировать природные ресурсы, создавая для этого (из тех же ресурсов) специальные средства (как принято говорит^, средства или орудия производства), сути дела не меняет. Сколь бы ни были масштабными процессы антропогенной трансформации вещества, они осуществляются в рамках глобальных биогеохимических циклов. Более того, человек не в силах радикально изменить эти циклы. Самое большее, что он может, — это изменить баланс вещества на определенных этапах глобальных циклов и на определенных территориях. Последствием может быть даже исчезновением человека как биологического вида, но циклический характер движения вещества от этого не изменится: он существует даже на мертвых планетах. Для того чтобы создать необходимую продукцию, получить энергию, сырье, человек находит и добывает природные ресурсы, перевозит их к местам переработки, производит из них предметы, которые в итоге поступают в пользование или в виде средств производства или в виде готовых изделий (здания, сооружения, станки, машины, предметы быта и культуры). Таким образом, человек вовлекает природные ресурсы в ресурсный цикл. Под ресурсным циклом понимают совокупность превращений и пространственных перемещений определенного вещества или группы веществ на всех этапах использования его человеком (включая его выявление, подготовку к эксплуатации, извлечение из природной среды, переработку, превращение, возвращение в природу). Слово «цикл» предполагает замкнутость 151
процесса. Известно, что в природе все химические вещества (вода, газы, металлы) движутся по замкнутому циклу. Если бы не было замкнутости, то эти вещества теоретически оказались бы уже исчерпанными как возможное сырье для производства биомассы и перешли бы в какое-либо иное состояние. Ресурсный цикл как круговорот фактически незамкнут (рис. 3.8): использованные ресурсы, не возвращаются в места изъятия. На каждом этапе ресурсного цикла (добыча, заготовка, транспортировка, переработка) неизбежны потери вследствие либо особенностей технологии, либо субъективных причин. При добыче часть сырья остается в местах залегания, а в отвалы ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ В МЕСТАХ I ИХ ЕСТЕСТВЕННОЙ ЛОКАЛИЗАЦИИ! Извлеченные в процессе добычи или заготовки Оставленные в местах локализации и добычи Транспортируемые к местам переработки и использования Продукция и изделия в пользовании Изделия, вышедшие из использования Дополнительно взятые за счет совершенствования технологии добычи и заготовки Утраченные при транспортировании Сохраненные за счет совершенствования транспорта Отводы от переработки Возвращенные в цикл путем регенерации» рекуперации, утилизации и совершенствования технологических процессов рассеивание*" Полностью непригодные Рис. 3.8, Концептуальная модель ресурсного цикла 152
идет так называемая «пустая порода», на извлечение которой тратится энергия. Значительная доля добытого ископаемого теряется при транспортировке к заводам и фабрикам, при его перегрузке и переработке. Если ресурс (например, каменный уголь) используется как топливо, то при его сгорании образуется большое количество золы, шлаков, разного рода оксидов, выбрасываемых в атмосферу или отвалы на поверхность Земли.. Если же уголь, нефть и другие ресурсы перерабатываются химической промышленностью, то неизбежно образование побочных твердых, жидких и газообразных продуктов, представляющих технологические отходы и формирующих так называемые хвостовые выбросы, которые наносят вред экосистемам. Углеводороды в составе нефти или сера в каменном угле, ртуть и кадмий в недрах Земли никакого вреда не приносят, а попадая с продуктами сгорания в воздух и воду экосистем, нарушают качество среды, отрицательно влияют на здоровье людей. Таким образом, получается, что загрязнение среды образуют. .. природные ресурсы. На их добычу, перевозку затрачены огромные средства, энергия, время, и они же~в конечном счете ухудшают качество среды. Не случайно существует афоризм: загрязнение среды — это природные ресурсы, оказавшиеся не на своем месте. Не умея пока использовать ресурсы полностью или многократно, человек вынужден добывать и перерабатывать в убыстряющемся темпе все новые и новые их порции, создавая проблему их же исчерпаемости. Получается своего рода «заколдованный круг», Большое количество отходов образуется при добыче и обогащении полезных ископаемых. При добыче каменного угля пустая порода выбрасывается в терриконики, занимающие десятки тысяч гектар плодородных земель, причем горящие терриконики загрязняют атмосферу. На каждую тонну производимого калийного удобрения образуется от 3 до 4 т. галитовых отходов, в основном содержащих хлорид натрия. Крупнотоннажным отходом производства фосфорных удобрений является фосфогипс, которого при переработке апатитового концентрата получается 4,25 т, а при переработке фосфоритов Кара-Тау — 5,6 т на каждую тонну экстракционной фосфорной кислоты. Большое количество отходов получается и при обогащении фосфатного сырья. При обогащении медных руд в отходы идет флотационный серный колчедан. Он используется для производства серной кислоты. Однако при обжиге серного колчедана образуется колчеданной огарок (примерно 0,73—0,75 т на 1 т пирита). Ежегодно его скапливается более 5 млн т. Огарок используется далеко не полностью, хотя содержит в основном железо, а также цветные и драгоценные металлы. Просачиваясь через отвалы, поверхностные воды в результате выщелачивания суль- 153
фидов увеличивают свою кислотность и обогащаются железом, медью, никелем, кальцием, сульфатами и другими веществами. Эти воды загрязняют реки, водоемы и подземные воды. Высокая концентрация тяжелых металлов может оказаться токсичной для растений, подавляя их рост. Тепловые электростанции дают десятки миллионов тонн пылевидной золы и кусковых шлаков в год. Отвалы крупной тепловой электростанции занимают сотни гектар ценных земель, но эти отходы представляют собой потенциальное сырье для производства строительных материалов. Зола может быть сырьем для извлечения ряда металлов: железа, алюминия. Одно из преимуществ извлечения металлов из золы — отсутствие затрат на добычу и измельчение исходного сырья, сопровождающееся загрязнением водного и воздушного бассейнов. Зола может быть использована в производстве наполнителей бетонов, силикатного кирпича, шлаки — в производстве шлакоситаллов, шлакопортландцемента, шлаковой ваты и др. Еще более сложные закономерности сопровождают антропогенный круговорот вещества при использовании ресурсов экологических систем. Лесной биогеоценоз представляет собой мощный аккумулятор солнечной энергии. Если вырубается древостой, то вся экосистема может прекратить свое существование просто потому, что изымается и отчуждается основная масса запасенной энергии и вещества, которая должна была передаваться на следующие трофические уровни. На месте уничтоженной экосистемы может возникнуть новая, но, в ряде случаев, значительно менее продуктивная. Таким образом, в данном случае рассеивание вещества и энергии резко опережает ее восстановление* и биологический естественный круговорот прерывается. В этой ситуации существует также возможность «замкнуть» ресурсный цикл. Поскольку леса способны к самовосстановлению, т. е. принадлежат к относительно возобновимым ресурсам», ресурсный цикл осуществляют таким образом, чтобы использовать эту особенность леса. Эта задача относится к области рационального лесопользования и решается путем системы соответствующих организационно-технологических мероприятий, сокращающих потери, повышающих уровень использования древесины и, следовательно, снижающих объемы и площади вырубаемых лесов, а также способствующих их интенсивному самовосстановлению. Особый случай представляют культурные экологические системы, т. е. обрабатываемые сельскохозяйственные земли. Они практически не способны к самовосстановлению. Собирая урожай и унося его с поля, человек тем самым удаляет значительную часть созданного органического вещества, на построение которого израсходованы вместе с атмосферным углеродом минеральные компоненты почвы. В результате организмы-деструкторы не получают материала для разложения и минерализации. В этих ситуациях экосистема прекращает свое существование, что, в частности, наблюдалось в далеком прошлом при подсечном земледелии. Чтобы не допустить этого, человек вынужден брать на себя восстановление экосистемы, т. е. обеспечивать биологический круговорот, в процессе которого создаются необходимые ему продукты, путем затрат вещества и энергии. На практике это означает внесение (посев) семян и рассады, применение органо-минеральных удобрений, обеспечение растений водой. Таким образом, человек своей деятельностью фактически «замыкает на себя» процессы естественного круговорота веществ. Разумеется, антропоген- 154
ный круговорот также естествен, как и любой другой, но он опять-таки предполагает разумное волевое начало. Количества вещества, вовлекаемого человеком в круговорот, соизмеримы с естественно участвующими количествами. Например, цри сжигании ископаемого топлива высвобождается масса углерода, образующийся СОг поступает в атмосферный воздух. Весь СОг, который поступал ранее в атмосферу при дыхании растений и животных, утилизировался с определенной скоростью самими растениями, причем в биосфере в течение длительного времени сохранялся газовый баланс. Резкое увеличение содержания СО2 в атмосфере в эпоху НТР, казалось бы, должно способствовать накоплению биомассы растениями, но, с одной стороны, процесс фотосинтеза растений эволюционно скоординирован с определенной величиной солнечной энергии, а с другой стороны, энергоемкость хлоропластов (где осуществляется фотосинтез) также рассчитана на вполне определенное количество фотосинтетической работы. Простое увеличение притока энергии или СО2 в атмосфере или даже адекватное увеличение того и другого отнюдь не означает повышения продуктивности экологических систем. Фактически же возрастание содержания СОг в атмосфере из-за вовлечения углерода в ресурсный цикл сопровождается снижением общей фотоэнергоемкости биосферы, вследствие того что наиболее продуктивные лесные насаждения уступают место менее продуктивным окультуренным экосистемам, а фотосинтетическая активность водных продуцентов снижается из-за загрязнения океана. Поскольку повышение содержания СО2 не компенсируются интенсивностью его ассимиляции, круговороты не только углерода, но и иных биогенных элементов (азота, фосфора, серы) оказываются несбалансированными, нарушенными в результате деятельности человека. Инженер производства должен понимать, что заколдованный круг можно преодолеть, и это всецело находится в руках вооруженного знаниями человека. В настоящее время усилия ученых направлены на то, чтобы сделать ресурсный цикл замкнутым, т. е., с одной стороны, разрабатываются и совершенствуются процессы, связанные с извлечением и переработкой необходимых ресурсов, а с другой — обусловливается возвращение их в трансформированном (измененном) виде в производство для повторного и неоднократного использования. 3.3. АНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ Структура Атмосфера — газовая оболочка Земли. Ее масса атмооЬе ы около 5,9 • 1015 т. Она имеет слоистое строение сферы ^см рис 2.1) и состоит из нескольких сфер, между которыми располагаются переходные слои — паузы. В сферах изменяется количество воздуха и его температура. Наиболее плотный слой воздуха, прилегающий к земной поверхности, носит название тропосферы. Протяженность ее по высоте в средних широтах составляет 10—12 км над уровнем моря, на полюсах —7—10, над экватором —16—18"км. В тропосфере сосредоточено более 4/s массы земной атмосферы. Из- за неравномерности нагрева земной поверхности в ней образуются мощные вертикальные токи воздуха, отмечаются неустойчивость температуры, относительной влажности, давления и т. д. Температура воздуха в тропосфере по высоте уменьшается на 0,6° на каждые 100 м и колеблется от 40 до —50 °С. Выше тропосферы находится стратосфера. Между ними расположена тропопауза. Стратосфера имеет протяженность около 155
40 км. Воздух в ней разрежен, влажность невысокая* Температура воздуха от границы тропосферы до высоты 30 км постоянная (около —50°С),?а затем начинает повышаться и на высоте 50 км достигает 10 °С. В стратосфере под воздействием космического излучения и коротковолновой части ультрафиолетового излучения Солнца молекулы воздуха ионизируются, в результате чего образуется озон. Стратопауза отделяет стратосферу от лежащей выше мезо- сферы. Выше мезосферы расположена термосфера (или ионосфера), между которыми имеется мезопауза. Для термосферы характерно непрерывное повышение темцературы с увеличением высоты. На высоте 150 км температура достигает 200— 240 °С, на уровне 200 км — 500 °С, а на высоте 500—600 км превышает 1500 °С. В термосфере газы очень разрежены. Молекулы их движутся с большой скоростью, но редко сталкиваются между собой и поэтому не могут вызвать даже небольшого нагревания находящегося здесь тела. Под действием солнечного излучения в атмосфере протекает множество реакций, в которых участвуют кислород, озон, азот, оксид азота, пары воды, диоксид углерода. Ионизация происходит в основном на высоте 70—80 км. При этом отмечаются отрицательные (N~, О~, 02 , СОГ, NOi", NO<f) и йоложитель- ные (N+, Н+, О+, О2+ и др.) ионы. Эти ионы образуют различные комплексы: NO+.N2; NO+CO2; NO+.H2; О? • (Н2О). Атмосфера состоит в основном из кислорода и азота (табл. 3.1). На высоте ПО—120 км кислород почти весь становится атомарным. Предполагается, что выше 400—500 км и азот находится в атомарном состоянии. Кислородно-азотный Таблица 3.1. Состав воздуха Компоненты Азот Кислород Аргон Диоксид углерода Неон Гелий Криптон Ксенон Содержание массовая доля, % 75, 23, 1 С 1,2- 7,2. 3,3. 3,9' 52 15 ,28 1,046 ю-3 io-s 10-4 ю-5 объемная доля, % 78,09 20,94 0,93 0,0330 1,8. Ю-3 5,2 • 10~4 1 . Ю-4 8 • Ю-6 Компоненты Оксид азота Водород Метан Диоксид азота Озон Диоксид серы Оксид углерода Аммиак Содержание массовая доля, % %5 3,5 0,8 8 io-fl . ю-3 . ю-6 . ю-4 . ю-5 — 10~s — — —- объемная доля 2,5- 5- 1,5. 1,5- 2. 2 . 1 . 1 • ю-4 ю-5 ю-4 ю-4 ю-6 ю-8 ю-5 156
состав сохраняется примерно до высоты 400—600 км. Выше 600 км в атмосфере начинает преобладать гелий. Гелиевая корона Земли простирается примерно до высоты 1600 км, а выше 2000—3000 км преобладает водород. Существуют два главных источника загрязнения Источники атмосферы: естественный и антропогенный. Они ЗЗГОЯЗНбНИЯ г /г» л v о атмосферы представлены на схеме (рис. 3.9), предложенной Дж. О. Бокрисом и др. A982). Космическая пыль образуется из остатков сгоревших метеоритов при их прохождении в атмосфере. Ежегодно ее выпадает на Землю 2-—5 млн т. Природная пыль является постоянной составной частью земной атмосферы. Она представляет собой мельчайшие твердые взвешенные в воздухе частицы радиусом 10~4—10~3 см и ядра конденсации со средним радиусом 5Х ХЮ см. Частицы природной пыли имеют органическое и неорганическое происхождение и образуются в результате разрушения и выветривания горных пород и почвы, вулканических извержений, лесных, степных и торфяных пожаров, испарения с поверхности морей. Одним из источников пыли в нижних Внеземное (космическая пыль) Естественное Земное. континентальное морское Загрязнение воздуха , выветривание ~вулканизм -органическое _ растения животные урановая . руда эксплуатация реактора атомные взрывы аварии ТЭЦ — промышленность т добыча - транспортировка * переработка нерасщепленный " материал _ расщепленный материал пыль копоть выхлопные газы бытовое промышленное природное Рис. 3.9. Источники загрязнения атмосферы По Бокрису Дж. О., 1982 157
слоях атмосферы являются безводные пустыни и степи. Кроме того, она образуется аэропланктоном» спорами растений> плесневыми и другими грибами, продуктами гниения, брожения и разложения растений и животных. Атмосферный воздух над океаном включает мельчайшие кристаллы солей лгагния, натрия, калия, кальция, образующиеся в результате высыхания в воздухе брызг воды. Как правило, естественное загрязнение не угрожает отрицательными последствиями для биогеоценозов и обитающих в них живых организмов, хотя кратковременные последствия возможны. Атмосферная пыль способствует конденсации водяных паров, а следовательно, и образованию Осадков. Кроме того, она поглощает прямую солнечную радиацию и защищает организмы от солнечного излучения. Академик В. И, Вернадский отмечал, что атмосферная пыль играет огромную роль в химии планеты. Биологическое разложение веществ на Земле, в том числе жизнедеятельность почвенных бактерий, ведет к образованию и вынесению в атмосферу больших количеств сероводорода, аммиака, углеводородов, оксидов азота (N2O, NO, NO2), оксида и диоксида углерода. Источниками антропогенного поступления в атмосферу примесей являются теплоэнергетика, промышленность, нефте- и газопереработка, транспорт, испытания термоядерного оружия. Каждый из этих источников (и каждая отрасль производства) связан с выделением специфических примесей, состав которых насчитывает десятки тысяч веществ, выявление и идентификация которых иногда затруднительна. Однако наиболее обычные загрязняющие вещества, поступающие в атмосферу в большом количестве и называемые поэтому многотоннажными, сравнительно немногочисленны. Наиболее распространенные выбросы промышленности следующие: зола, пыль, оксид цинка, силикаты, хлорид свинца; диоксид и триоксид серы, сероводород, меркаптан; альдегиды, углеводороды, смолы; оксид и диоксид азота, аммиак; озон, оксид и диоксид углерода; фтороводород, хлороводород, кре*лнефторид натрия, радиоактивные газы, аэрозоли. Наибольшее количество загрязняющих атмосферу веществ выбрасывается с выхлопными газами автомобилей. В настоящее время в мире насчитывается свыше 200 млн автомобилей, выхлопные газы которых содержат примерно 200 веществ, в том числе канцерогенные углеводороды и тетраэтилосвинец. Однако количество основных компонентов значительно меньше (табл. 3.2). Как видно из таблицы, бензиновые двигатели выбрасывают больше несгоревших углеводородов и продуктов их неполного окисления (оксида углерода и альдегидов), чем дизели. Каж- 158
Т-а блица 3.2. Содержание загрязняющих веществ в выхлопных газах двигателей По Г. В. Новикову, А. Я. Дудареву, 1978 ТГлмплийити I\U М11UH сп 1Ы (загрязняющие вещества) Диоксид углерода Монооксид углерода Оксиды азота Углеводороды неканцерогенные (этан, метан, этилен, бензол, ацетилен, толуол, m-ксилол, п-ноиан и др.) Альдегиды (формальдегид, акролеин, ацеталь- дегид и др.) Сажа Бензпирен _ единицы измерения. % % % % % г/м3 мкг/м3 Содержание в выхлопных газах двигателей карбюраторных 5—12 0,5—12 0,0--0,8 0,2-0,3 0,0-0,2 0,0—0,4 до 10—20 дизельных 1,0—10 0,01—0,5 0,0002—0,5 0,009—0,5 0,001-0,009 0,01—1,1 до 10 дая машина с бензиновым двигателем за пройденные 15 тыс. км потребляет 4350 кг кислорода, а выбрасывает 3250 кг диоксида углерода, 530 кг оксида углерода, 93 кг углеводородов, 27 кг оксидов азота. Тепловые электростанции выделяют в атмосферу газы, содержащие оксиды серы и азота, золу, металлы; предприятия черной металлургии — газы, включающие пыль, оксиды серы и металлов. На 1 т передельного чугуна приходится 4,5 кг пыли, 2,7 кг SO2, 0,1—0,5 кг марганца, а также соединения мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, ртути, редких металлов, смолистые вещества. Агломерационные фабрики выбрасывают пыль и диоксид серы A90 кг SO2 на 1 т руды). При производстве 1 т мартеновской стали выделяется 3000—4000 м3 газов (с концентрацией пыли в среднем 0 5 г/м3), 60 кг СО и 3 кг ЭОг. Коксохимические цехи загрязняют атмосферу пылью и смесью летучих соединений. Предприятия цветной металлургии выбрасывают запыленные газы, содержащие диоксид серы, фтористые газы и металлы. Из тонны пыли, выделяемой в атмосферу при плавке медных руд, можно извлечь до 100 кг меди и немного меньше свинца и цинка. Выбросы нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности в атмосферу содержат углеводороды (в том числе стиррл, дивинил, толуол, изопрен), сероводород и другие дур- нопахнущие газы. 159
Заводы промышленности строительных материалов выбрасывают пыль, фториды, диоксиды серы и азота. Наибольшее загрязнение атмосферного воздуха приходится на долю оксидов углерода, соединений серы и азота, углеводородов и промышленной пыли. За год в атмосферу Земли выбрасывается 200 млн т оксида углерода, более 20 млрд т диоксида углерода, 150 млн т диоксида серы, 53 млн т оксидов азота, свыше 250 млн т пыли, 120 млн т золы, более 50 млн т различных углеводородов. Прогрессирующее насыщение биосферы тяжелыми металлами— одно из наиболее существенных глобальных последствий научно-технической революции. Подсчитано, что за всю историю человеческого общества выплавлено около 20 млрд т железа. Количество железа в составе сооружений, машин, оборудования и т. д. сейчас исчисляется приблизительно в 6. млрд т. Следовательно, примерно 14 млрд т рассеяно в окружающей Таблица 3.3. Наиболее характерные выбросы в атмосферу основных производств химической промышленности По Я. Е. Кузнецову, Т. М. Троицкой, 1979 Производство Компоненты выбросов в атмосферу Азотной кислоты Серной кислоты (нитрозной и контактной) Соляной кислоты Щавелевой кислоты Сульфаминовой кислоты Фосфора и фосфорной кислоты Уксусной кислоты Сложных удобрений Карбамида Аммонийной селитры Суперфосфата Аммиачной воды и жидких угле- аммиаков Жидкого хлора Хлорной извести Полихлорвиниловой смолы Тетр ахлорэтилена Ацетона Аммиака Метанола Капролактама Диоксида титана Ацетилена Карбофоса Минеральных пигментов Целлюлозы NO, NO2, NH3 NO, NO2, SO2, H2SO4 HC1, Cl2 NO, NO2, C2H2O4 (пыль) NH3, NH(SO3NH4J, H2SO4 P2O5, H3PO4, HF, CasF(PO4) (пыль) СНзСНО, СН3СО2Н NO, NO2, NH3, HF, H2SO4, P2O5, HNO3 NH3, CO, (NH2JCO (пыль) CO, NH3, HNO3, NH4NO3 (пыль) H2SO4, HF, пыль суперфосфата NH3 HC1, Cl2, Hg Cl2, СаС12 (пыль) Hg, HgCl2, H3 HC1, Cl2 CH3CHO, (СНзЬСО NH3, CO CH3OH, CO NO, NO2, SO2, H2S, CO Ильменит, TiO2, FeO, Fe2O3 C2H2, сажа SO2, P2O5, H2S, пыль карбофоса Fe2O3, FeSO4 H2S, Cl2, SO2, CH3SH, (CH3JS 160
среде. Другие металлы рассеиваются еще больше. Например, рассеивание ртути и свинца составляет 80—90 % от годового производства. При сжигании угля с золой и отходящими газами некоторых элементов в окружающую среду поступает больше, чем добывается из недр: магния — в 1,5 раза, молибдена — в 3, мышьяка — в 7, урана, титана — в 10, алюминия, иода, кобальта— в 15, ртути — в 50, лития, ванадия, стронция, бериллия, циркония — в сотни раз, галлия, германия — в тысячи раз, иттрия— в десятки тысяч раз. Предприятия химической промышленности загрязняют атмосферу пылью, содержащей неорганические и органические вещества, и различными газами (табл. 3.3). Количество солнечной энергии, поступающей на Перенос^ Землю и отражаемой от нее в атмосферу, в раз- Гатмосфере личных широтах неодинаково. В результате этого атмосфера в разных районах земного шара нагревается неравномерно. Особенно большие различия температуры у поверхности наблюдаются между полярными и экваториальными областями. Эта неравномерность нагревания служит главной причиной общей циркуляции атмосферы, представляющей собой сложную систему воздушных течений над Землей. Благодаря такой циркуляции усредняется состав основных компонентов воздуха, а воздушные течения переносят водяной пар, а также загрязнения от океанов в континентальные районы. Кроме крупномасштабных воздушных течений в нижних слоях атмосферы возникают многочисленные местные циркуляции, связанные с особенностями нагревания атмосферы в отдельных районах. Вследствие образования различных течений в атмосфере перемешиваются большие массы воздуха и на значительные расстояния перемещаются соединения, выделяемые теми или иными источниками на поверхности Земли. Загрязняющие атмосферу вещества подразделя- Химические ют на первичные и вторичные. Первичные — вее^ст1в*еНИЯ эт0 те> К0Т0Рые содержатся непосредственно в атмосфере в выбросах предприятий и поступают с ними от различных источников, а вторичные являются продуктами трансформации первичных, или так называемого встречного синтеза, причем эти продукты во многих случаях значительно более опасны, чем первичные вещества. Поступившие в атмосферу химические соединения подвергаются самым разнообразным превращениям в результате реакций между собой, с уже содержащимися в воздухе веществами, включая пары воды, а также под воздействием солнечных лу- ^ей. Превращения зависят и от времени пребывания веществ в атмосфере, под которым понимают промежуток времени между поступлением компонента в атмосферу и удалением (сто- 161
ком) из нее. Наиболее значимы превращения под действием солнечного излучения. В общем случае при поглощении кванта света с частотой v могут происходить следующие процессы: образование электронно-возбужденных молекул: А + ftv —> —* А*; дезактивация за счет флуоресценции: А* —^ А + hv ; дезактивация (тушение) за счет соударения с другими молекулами A*+Q —> A+Q'; диссоциация: А* —*¦ В + С. Для атмосферной фотохимии наибольший интерес представляют явления фотохимической диссоциации электронно-возбужденных молекул А*. Возбужденное состояние весьма нестабильно, так что вслед за появлением А* быстро следует реакция образования продуктов В и С. Один или оба из них могут быть очень активными и приводят к началу цепи реакций, в результате которых возникают нежелательные соединения, в том числе служащие основой фотохимического смога. Химические превращения в тропосфере и стратосфере инициируются, главным образом, продуктами фотолиза таких молекул, как Оз, О2, Н2О, N2O и NO2. Важнейшим компонентом, определяющим химию стратосферы, является озон. Образование атомарного кислорода в атмосфере (выше 80 км) происходит по следующей реакции: Ог+ftv —> 20. Атомарный кислород участвует в реакциях возникновения Ог и Оз. Озон получается по уравнению: О+Ог+М —> Оз+М, где М — третье вещество, принимающее избыток энергии. Озон подвергается фотохимической диссоциации: Оз+Uv-^ ->О2+О. В атмосфере присутствуют пять основных азотсодержащих газов: N2, ЫНз, NO, NO2, N2O. В конденсированной фазе азот присутствует в форме иона аммония (NH+) и нитратного иона (N0~). В атмосфере городов наблюдается значительное количество органических нитратов. Оксиды азота антропогенного происхождения в большинстве случаев попадают в атмосферу в виде N0. Затем происходят следующие реакции: 2NO + O2 —> 2NO2, O + O2 + M —> Оз v —^ N0 + 0, Оз + NO —-> N02 +02. Возможны и другие многочисленные реакции с участием веществ, содержащих азот и кислород: 0 + N02 —> N0 + 02, NO3 + NO —> 2NO2, O + NO2 + M —> NO3 + M, NO2 + O3 —> NO3 + O2, 0 + N0 + M —^ NO2 + M, NO3 + NO2 + M —^ N2Os 162
Цикл соединений азота в тропосфере дополняется образованием азотной кислоты: 4NO2+2H2O + O2 —* 4НЫОз. Диоксид азота может гидролизоваться также в газовой фазе: 3NO2+H2O *=*= 2HNO3+NO. Выделяющаяся по этим реакциям азотная кислота далее может реагировать с ионами металлов, образуя нитраты. Атомарный кислород и озон способны вступать в соединения с различными органическими веществами, в результате чего получаются органические и неорганические свободные радикалы. Для олефиновых углеводородов возможна следующая подобная реакция: O3+RCH = CHR —> RCHO + RO* + НСО*, где RO* и НСО* — свободные радикалы. Полученный альдегид RCHO может подвергаться фотодиссоциации по реакции: RCHO + &v —* R + НСО*. Кроме альдегидов фотохимически активны также кетоны, пероксйды и ацилнитраты, которые при поглощении солнечной радиации также образуют свободные радикалы. Свободные радикалы с молекулярным кислородом образуют пероксидные радикалы (ROO*), т. е. R* + О2 —> ROO*. Пероксидные радикалы способны окислять N0 в NO2 по реакции RQO* + NO —+ NO2 + RO*. Возможно также возникновение озона по реакции пероксид- ных радикалов с кислородом, т. е. ROO* + O2 —> RO' + Оз. Возникают и другие реакции: RCO +02 —* RCO2 + O2 —* RCO2+NO —>• RCO3+NO2 —> RO* + NO —-> RO* + RH —> RH* + O —> RCO3, RO* + C02, N02 + RCO2, RCO3NO2, RONO, ROH + R\ R* + OH". Присутствие свободных радикалов приводит к смогу. Основные продукты этих фотохимических реакций — альдегиды, кетоны, СО, СОг, органические нитраты и оксиданты. Оксидан- 163
ты включают озон, диоксид азота, соединения типа перокси- ацетилйитратов и др. Пероксиацетилнитрат (ПАН) сильно раздражает слизистую оболочку глаз, отрицательно действует на ассимиляционный аппарат растений. Его формула имеет вид: О СНз - С - О - О - NO2. Это соединение не очень устойчиво: вступает в дальнейшие реакции с оксидом азота RC(O)-O-O-{to2 + NO —* 2NO2 + RCO2 и распадается в конденсированной фазе: Другим раздражающим глаза веществом, присутствующим в смоге, является пероксибензоилнитрат (ПБН), имеющий структуру: О С6н5 - С - О - О - NO2. Фотодиссоциация диоксида серы невозможна, так как она отмечается лишь при длинах волн короче тех, которые достигают нижних слоев атмосферы. Однако в присутствии МОг^и SO2 происходит фотодиссоциация NO2 с образованием атомарного кислорода и озона. Таким образом, диоксид серы может реагировать с атомами кислорода по реакции Эффективность этой реакции возрастает по мере роста отношения концентраций SO2/NO2. Кинетические расчеты показывают, что при концентрациях (NO+NO2) и SO2 равных 0,2 млн (типичных для фотохимического смога), скорость реакции между SO2 и О будет приблизительно в 10 раз ниже скорости реакции между атомарным кислородом и оксидами азота. В любой загрязненной атмосфере одновременно присутствуют SO2, NO2, NO и углеводороды. В этом случае облучение олефинов и ароматических соединений приводит к образованию значительного количества аэрозолей, а скорость исчезновения SO2 увеличивается. Количество аэрозолей уменьшается с увеличением относительной влажности воздуха. ф В связи с загрязнением атмосферы возникают и экоТогические проблемы, связанные со снижением ее прозрач- последствия ности и уменьшением видимости, появлением незагрязнения приятных запахов и запыленностью. Загрязне- атмосферы йие ВОЗдуХа создает угрозу здоровью человека и нормальному функционированию экологических систем. 164
Энергетический баланс планеты меняется вследствие изменения альбедо (отражательная способность) земной поверхности, прозрачности атмосферы и выделения в нее'большого количества теплоты. Альбедо изменяется при культивировании растительности определенного характера, а также при орошении или осушении поверхности Земли. Запыленность атмосферы оказывает влияние на отражательную способность Земли. Гигиенический стандарт атмосферы допускает суммарную запыленность в 1,5 т/га, а в отдельных промышленных районах она достигает 60 т/га. Частицы пыли . некоторое время остаются в атмосфере, сокращая доступ ультрафиолетового излучения и образуя ядра конденсации. Запыленность атмосферы способствует увеличению количества отраженного солнечного излучения и уменьшению количества излучения, достигающего Земли, что приводит к похолоданию климата. В то же время пыль, попадающая на поверхность ледников, поглощает солнечную энергию, способствуя их таянию. Основную роль в изменении прозрачности воздуха играет накопление в атмосфере диоксида углерода. Ежегодно количество СОг в атмосфере возрастает на 0,4 % от общего его содержания. В настоящее время объемная доля СОг в атмосфере составляет 0,033 %. Считают, что содержание СОг в атмосфере будет удваиваться каждые 23 года*. Диоксид углерода поглощает инфракрасное — тепловое излучение, что при определенной концентрации может привести к глобальному повышению температуры. При сжигании топлива выделяется в год 14,2- 1016 кДж теплоты, которая рассеивается в окружающей среде, изменяя температурный режим. По расчетам при ежегодном росте производства энергии на 6 % в середине XXI в. начнется повышение средней планетарной температуры. Количество озона в атмосфере невелико B- 10" % по объему), но он играет важную роль в предохранении земной поверхности от ультрафиолетовой части солнечного спектра. Разрушение озонового слоя происходит в результате окисления озоном различных веществ, в том числе продуктов сгорания топлива самолетов и ракет. Это грозит увеличением дозы ультрафиолетового излучения, достигающего земной поверхности. По некоторым данным, разрушение озонового слоя на 50 % повлечет за собой увеличение дозы ультрафиолетового облучения в 10 раз. Процесс истощения озонового слоя наблюдается с начала 70-х гг. и в последнее время лолучил название возникновения озоновых дыр. Если сконцентрировать весь озон в условном сплошном слое, то его тол- * Будыко М. Проблема углекислого газа. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. G. 10, 26. 165
щина не превысит 3 мм. Содержание озона максимально в верхних слоях тропосферы в приполярных областях, минимально — вблизи экватора. Исследование причин сокращения содержания озона в атмосфере показало, что главная из них — высокая концентрация в атмосфере монооксида хлора (СЮ); причем наблюдается четкая корреляция между содержанием СЮ и снижением содержания Оз. Атомарный хлор реагирует с озоном и трансформирует его в обычный кислород: Высвобождающиеся атомы хлора вновь реагируют с озоном, вызывая цепную реакцию. Прежде чем хлор окажется связанным с каким-либо другим элементом, например водородом, может произойти разрушение многих тысяч молекул озона. Основным источником хлора в атмосфере считаются ф р е о н ы — фтор- и фторхлоруглеводороды, например фреон-12 (CCI2F2), широко используемые в качестве холодильных агентов (от лат. фригус — холод). Они используются не только в холодильных установках, но и в многочисленных бытовых аэрозольных баллонах с красками, лаками, инсектицидами. Молекулы фрео- нов отличаются стойкостью и способны практически без изменений переноситься с атмосферными массами на огромные расстояния. На высотах 15—25 км (зона максимального содержания озона) они подвергаются воздействию ультрафиолетовых лучей и распадаются с образованием атомарного хлора. Ежегодно. количество кислорода уменьшается более чем на 10 млрд т. Уменьшение количества кислорода происходит в результате увеличения сжигания ископаемого топлива и уменьшения фотосинтетической активности растений, что . связано с загрязнением окружающей среды. Однако, если сжечь все запасы ископаемого топлива, то будет использовано лишь 3 % запасбв кислорода. Таким образом, значительного уменьшения количества кислорода в ближайшее время не будет. Тем не менее для сохранения стабильности состава атмосферы необходимо это учитывать. Наиболее острой является проблема загрязнения атмосферы серосодержащими веществами. Наиболее сильно загрязнено северное полушарие Земли, в атмосфере которого находится 90 % серы антропогенного происхождения. При соответствующих климатических и географических условиях в отдельных районах Земли возможно резкое повышение уровня загрязнения атмосферы. Диоксид серы оказывает вредное действие на растения. Поступая внутрь листа при дыхании, SO2 угнетает жизнедеятельность клеток. При этом листья растений сначала покрываются бурыми пятнами, а потом засыхают. Диоксид серы и другие ее соединения раздражают слизистую оболочку глаз и дыхательные пути. Продолжительное действие малых концентраций SO2 ведет к возникновению хронического гастрита, гепатопатии, бронхита, ларингита и других болезней. 166
Есть сведения о связи между содержанием SO2 в воздухе и уровнем смертности от рака легких. В атмосфере SO2 окисляется до SCb. Окисление происходит каталитически под воздействием следов металлов, главным образом марганца. Кроме того, газообразный и растворенный в воде SO2 может окисляться озоном или пероксидом водорода. Соединяясь с водой, ЭОз образует серную кислоту, которая с металлами, имеющимися в атмосфере, образует сульфаты. Биологическое действие кислых сульфатов при равенстве концентраций более выражено по сравнению с SO2. Диоксид серы существует в атмосфере от нескольких часов до нескольких дней в зависимости от влажности и других условий. Количество SO2 и SO4~ на разной высоте неодинаково. На небольших высотах SO2 превалирует над SO24~. Отношение SCVSO!" уменьшается с высотой. Переносу SO2 на дальние расстояния и его рассеиванию в верхних слоях тропосферы способствует строительство высоких дымовых труб, это снижает локальное загрязнение атмосферы. В результате такого приема, рассчитанного на естественное самоочищение воздуха за счет рассеивания, увеличивается время пребывания серосодержащих соединений в воздушной среде, и, следовательно, увеличивается степень их превращения в серную кислоту и сульфаты. Диоксид серы (в сочетании с водяным туманом) является главным компонентом сернистого смога, который иногда называют смогом лондонского типа, поскольку впервые от него сильно пострадали в 1952 г. жители этого города. Существенный ущерб качеству воды и почвы наносят так называемые кислотные осадки (дождь и снег). В результате сгорания угля, нефти, газа большая часть содержащейся в них серы превращается в диоксид серы, а атмосферный азот реагирует с кислородом, образуя оксиды азота. Далее в результате соединения с атмосферной влагой эти оксиды образуют серную и азотную кислоты, выпадающие с осадками. Кислотность обычной дождевой воды равна 5,6. Известны случаи, когда кислотность осадков достигала 2,3 (кислотность сока лимона). Такие осадки отрицательно воздействуют на хвою и листву деревьев, на зеленый ассимиляционный аппарат травянистых растений, приводят к закислению воды, подавляющему популяции многих водных организмов (особенно беспозвоночных, фито- и зоопланктона), а также вызывающему за- кисление почв. Ежегодно с осадками выпадают миллионы тонн кислот, что ведет к радикальному изменению химии природной среды. Соединения, содержащие серу, не только вымываются из атмосферы при выпадений осадков, но и удаляются из нее под 167
действием гравитационных сил в сухом виде. Среднегодовое количество серосодержащих соединений, вымываемых из атмосферы над территорией Европы, составляет примерно 12 X XI О6 т/год. Другая серьезная проблема связана с присутствием сульфатов в атмосфере. Частицы сульфатов размером 0,1—1 мкм наиболее сильно рассеивают свет, ухудшают видимость и оказывают отрицательное воздействие на организм человека. На интенсивность рассеивания света влияет и влажность воздуха. Сульфат и гидросульфат аммония — гигроскопичные вещества, поэтому повышение относительной влажности воздуха способствует поглощению влаги этими веществами и усилению рассеивания света. Выбросы диоксида серы с отходящими газами промышленности наносят большой экономический ущерб, так как безвозвратно теряется огромное количество ценного для народного хозяйства вещества. Учитывая то, что мировые разведанные запасы серы близки к истощению, необходима разработка эффективных методов улавливания и переработки газов, содержащих ЭОг, на серу, серную кислоту и сульфаты. Наибольшее количество диоксида серы выбрасывается с отходящими газами предприятий теплоэнергетики, черной и цветной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, промышленности стройматериалов, транспорта и др. 3.4. АНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГИДРОСФЕРУ Запасы воды Гидросферой называют водную оболочку Земли, представляющую собой совокупность океанов, морей, озер, рек, прудов, болот, подземных вод. Общее количество воды на Земле составляет 1386 млн км3 (табл. 3.4). Общая площадь океанов и морей в 2,5 раза превышает территорию суши. Средняя глубина всего Мирового океана равна 3704 м, а наибольшая —11034 м. На 75% его площади преобладают глубины от 3 до 6 тыс. м. Объем Мирового океана немногим более 0,1 % объема земного шара, а по массе всего 0,023 % от массы Земли. Толщина слоя океанической воды в среднем равна лишь 7з44в части (или 0,03 %) земного диаметра. Средняя соленость океанической воды 3,5 %, или 35 г/л. Пресная вода содержит солей не более 1 г/л. Из общего количества воды на Земле доля пресных вод составляет 2,5 %, или 35 млн км3. Это более 8 млн м3 пресной воды на каждого жителя планеты. Однако подавляющая часть пресной воды труднодоступна. Почти 70 % пресных вод заключено в ледниковых покровах полярных стран и в горных ледни- 168
Таблица 3.4. Запасы воды на Земле Тип воды Объем, тыс. км* Доля мировых запасов, % от общих запасов воды от запасов пресной воды Мировой океан Подземные воды в том числе пресные Ледники и снежный покров Подземные льды Воды озер пресные соленые Воды болот Воды в руслах рек Биологическая вода Воды атмосферы Общие запасы воды Пресные воды 1 338 000 23 400 10 530 24 064,10 300 176,40 91 85,40 11,47 2,12 1,120 12,90 1385984,61 35029,21 96,5 1,7 0,76 1,74 0,022 0,013 0,007 0,006 0,0008 0,0002 0,0001 0,001 100 2,53 — — 30,1 68,7 0,86 — 6,26 — 0,03 0,006 0,003 0,04 — 100 ках. Льды покрывают 16 млн км2 суши, из них 14 млн км2 находится в Антарктиде, в Российской Арктике — 55 тыс. км2. Горные ледники в умеренных и тропических широтах занимают 224 тыс. км2. Общий объем льда на Земле 27 млн км3. В верхней части земной коры на разной глубине под почвой находятся обширные запасы подземных вод. Точное количество воды подсчитать трудно. ПресЪше воды, как правило, залегают на глубине до 150—200, м, ниже они переходит в солоноватые и рассолы. Объем подземных пресных вод примерно в 100 раз больше, чем объем поверхностных пресных вод, содержащихся в озерах, реках и болотах. В реках одновременно содержится лишь 0,006 % пресных вод. Площадь всех озер (соленых и пресных) на земном шаре несколько превышает 2 млн км2. Наибольшее скопление крупных озер находится в областях древнего оледенения и тектонических разломов земной коры. Так в Северной Америке образовались Великие озера. Самый крупный по площади зеркала пресноводный водоем мира (82 680 км2)—оз. Верхнее. Однако по объему воды A1600 км3) и максимальной глубине D06 м) оно значительно уступает Байкалу B4 000 км3 и 1741 м) и Танганьике A8 900 км3 и 1435 м). Самая крупная водная экосистема Европы — Ладожское озеро имеет площадь 17 700 км2, объем воды 908 км3 п)ри наибольшей глубине 230 м. Общая площадь болот на земном шаре приблизительно 3 млн км2, или 2 % суши. Почти 60 % болот расположено 169
в России, меньше всего болот в Австралии (около 0,05 % площади) . Вода в атмосфере — это главным образом водяной пар и его конденсат (капельки воды и ледяные кристаллы). Чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара он может содержать. Биологическая вода — это вода, содержащаяся в живых организмах и растениях, в которых в среднем ее находится 80 %. Общая масса живого вещества биосферы 1400 млрд т. Отсюда масса биологической воды равна 1120 млрд т, что соответствует 1120 км3. Вода — это единственное вещество на Земле, существующее в природе во всех трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Потребление воды промышленностью и сель- Потребление ским хозяйством в настоящее время достигло в огромных размеров. По оценкам специалистов, безвозвратное водопотребление составляет около 150 км3 в год, т. е. 1 % устойчивого стока пресных вод. По расчетам, потребность в воде на Земле до 2000 года будет возрастать в среднем на 3,1 % в год. В настоящее время люди ежегодно расходуют 3000 км3 пресной воды. Больше всего воды потребляет сельское хозяйство. Например, при выращивании 1 т пшеницы за вегетационный период требуется 1500 т воды, 1 т риса — 7000, хлопка— 10000 т воды. В промышленности вода используется для приготовления растворов, охлаждения и нагревания жидкостей и газов, очистки растворов и газовых смесей, для транспортировки сырья, для теплоэнергетических целей, для удаления отходов, мытья оборудования, тары, помещений и др. Потребность в воде в промышленности очень велика. Так, на производство 1 т продукции расходуется воды (в м3): стали, чугуна — 15—20; кальцинированной соды—10; серной кислоты — 25—80; азотной кислоты — 80— 180; вискозного шелка — 300—400; синтетического волокна — 500; меди — 500; пластмасс — 500—100; синтетического каучука — 2000—3000 и т. д. Для работы теплоэлектростанции мощностью 300 тыс. кВт требуется более 300 км3 воды в год. Средний химический комбинат ежесуточно расходует (т. е. потребляет и отводит) 1—2 млн м3 воды. В крупных городах с населением свыше 3 млн человек суточный расход воды достигает 2 млн м3, а годовой — 1 км3. Качество воды — это совокупность физических, химических, биологических и бактериологических показателей, обусловливающих пригодность воды для использования в промышленном производстве, бь!ту и т. п. При этом к качеству потребляемой воды предъявляются достаточно высокие требования, что вызывает необходимость 170
сложных технологических процессов водоочистки и водоподго- товки. Требования к качеству воды, используемой ла производственные цели, устанавливаются в каждом конкретном случае в зависимости от назначения воды и особенностей технологического процесса. Источники Загрязнение рек, озер, морей и даже океанов загрязнения происходит с нарастающей скоростью, так как водных в водоемы поступает огромное количество взве- экосистем шенных и растворенных веществ (неорганических и органических). Основными источниками загрязнения природных вод являются: 1. Атмосферные воды, несущие вымываемые из воздуха пол- лютанты (загрязнители) промышленного происхождения. При стекании по склонам атмосферные и талые воды дополнительно увлекают с собой органическое и минеральное вещество. Особенно опасны стоки с городских улиц, промышленных плошадок, несущие нефтепродукты, мусор, фенолы, кислоты и др, 2. Городские сточные воды, включающие преимущественно бытовые стоки, содержащие фекалии, детергенты (поверхностно-активные моющие средства), микроорганизмы, в том числе патогенные. 3. Промышленные сточные воды, образующиеся в самых разнообразных отраслях производства, среди которых наиболее активно потребляют воду черная металлургия, химическая, лесохимическая, нефтеперерабатывающая промышленности. С развитием промышленности и увеличением потребления воды растет и количество жидких отходов — сточных вод. Еще в 60-х годах ежегодно в мире образовывалось около 700 млрд м3 сточных вод. Примерно */з из них — промышленные сточные воды, загрязненные различными веществами. Только половина промышленных жидких отходов подвергалась очистке тем или иным способом. Другая половина сбрасывалась в водоемы без какой-либо очистки. При технологических процессах появляются следующие основные виды сточных вод. 1. Реакционные воды, загрязненные как исходными веществами, так и продуктами реакции. 2. Воды, содержащиеся в сырье и исходных продуктах (свободная или связанная вода). 3. Промывные воды — после промывки сырья, продуктов, тары, оборудования, маточные водные растворы. 4. Водные экстрагенты и абсорбенты. 171
5. Охлаждающие воды, не соприкасающиеся с технологическими продуктами и использующиеся в системах оборотного водоснабжения. 6. Бытовые воды — из предприятий питания, прачечных, душевых, туалетов, после мытья помещений и т. д. 7. Атмосферные осадки, стекающие с территории промышленных предприятий, загрязненные различными химическими веществами. В сточных водах гидролизной промышленности присутствуют спиртовые и фурфурольные компоненты, последрожжевая бражка, сивушные, эфирно-альдегидные и скипидарные фракции, различные кислоты. Предприятия целлюлозно-бумажной промышленности в большом количестве сбрасывают в воду целлюлозное волокно и растворенные органические вещества: углеводы, смолы, жиры. Все они легко окисляются при участии аэробных микроорганизмов, что связано с интенсивным потреблением кислорода, растворенного в воде, и пересыщением водоемов органикой. Загрязненные сточные воды образуются при обработке целлюлозной и бумажной массы, при промывке и сгущении целлюлозы, при конденсировании сдувок, разгонке скипидара-сырца, удалении шламов, «мокрой» окорке древесины. При сульфитном способе производства целлюлозы один из наиболее обычных сбросов — сульфитный щелок. Стоки могут иметь кислую, нейтральную или щелочную реакцию (табл. 3.5), что в любом случае связано с изменением естественного рН водоема. Загрязняются моря. Считается, что Средиземное море самое грязное на Земле. В результате выбросов сточных вод 80 % рыбы погибло. Загрязнено и Балтийское море, в которое впадает 200 рек и на берегах которого протяженностью 200 тыс. км Таблица 3.5. Характеристика стоков предприятий ЦБП По В. Ф. Максимову и др., 1986 Вид производства Сульфитная небеленая целлюлоза Сульфитная беленая целлюлоза Картон Бумага Сульфатная небеленая целлюлоза Количество сточных вод на тонну продукции, м* 130—155 425—500 30—60 50-60 101—116 Среда Кислая Нейтрально-щелочная Нейтральная Слабокислая Щелочная Цвет стока Темно-коричневый Коричневый Бесцветный Темно-коричневый 172
расположено 60 крупных городов. В Азовском море в 2/з акватории содержится недостаточно кислорода для жизни рыб. В результате аварий судов, промывки резервуаров танкеров, утечек нефти п1>и добыче ее в шельфовой зоне ежегодно в воды Мирового океана попадает до 12—15 млн т нефти. Каждая тонна нефти покрывает тонкой пленкой примерна 12 км2 водной поверхности и загрязняет до миллиона тонн морской воды. Нефтяная пленка вызывает гибель оплодотворенной икры, нарушает процессы фотосинтеза и выделения кислорода, осуществляемого фитопланктоном, т. е. нарушается газообмен между атмосферой и гидросферой. Альбедо покрытой нефтяной пленкой поверхности воды выше, чем чистой воды, вследствие чего водные организмы-фотосинтетики получают меньше энергии. А ведь основная доля общего запаса органического углерода и общей валовой продукции фотосинтеза приходится на зеленые растения океана, в первую очередь фитопланктон. Океан называют иногда «легкими планеты» — столь велика его роль в процессе круговорота кислорода и углерода. Моря и океаны отравляются не только нефтепродуктами, они загрязняются также веществами, поступающими с речным стоком. В них попадают промышленные и бытовые отходы, содержащие соли различных металлов, яды, огромное количество пестицидов, удобрений, моющих средств, радиоактивных веществ. Считается, что в водоемы поступает свыше 500 тыс. различных веществ. Тяжелые металлч (свинец, ртуть, цинк, медь, кадмий) и другие токсичные вещества прогрессивно накапливаются в пищевых цепях, конечное звено которых — человек. Известны, например, массовые отравления ртутью, которая попадала в организм людей вместе с рыбой, а также отравление кадмием при использовании для бытовых целей загрязненных вод. Из загрязняющих веществ очень опасны детергенты, или синтетические моющие средства. Выброшенные в водоемы, они сильно пенятся. Слой пены может достигать значительной толщины и препятствовать доступу кислорода в воду. Источником загрязнения водных экосистем является и сельское хозяйство. Во-первых, повышение урожайности, продуктивности земель неизбежно связано с применением удобрений и ядохимикатов (пестицидов). Попадая на поверхность почвы, они смываются с нее и оказываются в водоемах. Во-вторых, животноводство связано с образованием больших масс мертвой органики (навоза, подстилки), мочевины, которые опять-таки могут оказываться в водных объектах. Эти отходы неядовиты, но их массы огромны (вспомним, что получение 1 кг мяса «стоит» 70—90 кг кормов) и, несмотря на их нетоксичность, они ведут к тяжелым последствиям для водных экологических систем. 173
Сточные воды, содержащие органические вещества (не только от животноводства), содержат массу биогенных элементов, в том числе азота и фосфора. В результате происходит массовое размножение фитопланктона, в первую очередь сине-зеленых, зеленых и красных водорослей, а также интенсивное развитие высших водных растений. Эти организмы, рождаются, отмирают, и масса органического вещества возрастает. Поскольку названные организмы являются аэробными и дышат кислородом, растворенным в воде, в скором времени они оказываются в условиях дефицита кислорода. Вода становится непригодной для жизни, в ней начинают преобладать анаэробные процессы. Этот процесс носит название эвтрофикации. Эвтрофикация (или эвтрофирование)—это повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления в воде биогенных элементов под действием антропогенных или естественйых (природных) факторов. Собственно анаэробные процессы представляют собой вторичное загрязнение воды. Эвтрофикация может быть также следствием того, что азотные и фосфорные удобрения смываются с полей и в воду попадают легкоокисляемые минеральные соединения. Питательные вещества могут попадать в водоемы и при сбросе хозяйственно-бытовых сточных вод. В них содержится (в граммах на одного человека в сутки): соединений азота (в пересчете на N) —7—8; фосфора (в пересчете на Р) — 1,5— 1,8; калия (в пересчете на К) — 3. Большую опасность представляют загрязнения вод радиоактивными веществами. Взвешенные твердые частицы способствуют образованию стабильных водных суспензий, при этом ухудшаются прозрачность и внешний вид воды, снижается' активность фотосинтеза водных растений. Загрязняют воду теплые сточные воды от предприятий теплоэнергетики: поскольку при этом меняется температурный режим в водном объекте, а затем может возникать несоответствие его санитарным требованиям. Загрязнение рек, озер, морей и даже океанов принимает такие размеры, что во многих районах превышает их способность к самоочищению. Уже сейчас в некоторых странах начинает ощущаться нехватка пресной воды. Загрязнение водных систем представляет большую опасность, чем загрязнение атмосферы, по следующим причинам: процессы регенерации, или самоочищения, протекают в водной среде гораздо медленнее чем в воздухе; источники загрязнения водоемов более разнообразны; естественные процессы, осуществляющиеся в водной среде и подвергающиеся действию загряз- 174
нений, более чувствительны сами по себе и имеют большее значение для обеспечения жизни на Земле, чем те, которые протекают в атмосфере. 3.5. АНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЛИТОСФЕРУ* Литосфера — верхняя твердая оболочка Земли, постепенна с глубиной переходящая в сферы с меньшей плотностью вещества. Включает земную кору и верхнюю мантию Земли. Мощность литосферы 50—200 км, в том числе земной коры — до 50—75 км на континентах и 5—10 км на дне океана. Верхние слои литосферы (до 2—3 км, по некоторым данным — до 8,5 км) называются литобиосферой. В некоторых книгах понятия «литосфера» и «земная кора» рассматриваются как си- цонимы. Химический состав земной коры на глубинах 10—20 км в основном (более 99 %) следующий (в массовых долях, %) **• Кислород 49,13 Калий 2,35 Кремний 26,00 Магний 2,35 Алюминий 7,45 Водород 1,00 Железо 4,20 Титан 0,61 Кальций 3,25 Углерод 0,35 Натрий 2,40 Хлор 0,20 Природные химические соединения элементов земной коры называются минералами. Из них и состоят многочисленные типы горных пород. Основными группами горных пород являются магматические, осадочные и метаморфические. Магматические породы — это результат застывания вулканической магмы, разлившейся по поверхности суши или внедрившейся в глубь земной коры. На глубине 15—30 км магматические породы представлены в основном гранитом. Подсчитано, что в 100 т гранита содержится в среднем 5 т железа, 0,54 т титана, 80 кг марганца, 30 кг хрома, а также никель, ванадий, медь, вольфрам. Осадочные породы — это преимущественно поверхностные образования, возникшие при разрушении и переотложении других — ранее сформировавшихся — горных пород. Метаморфические (от греч. метаморфоз — превращение) породы — это продукты изменения магматических и осадочных пород в результате воздействия физико-химических процессов, в основном — высоких температур и давлений. Литосфера не является застывшим, неподвижным образованием. * Вопросы, связанные с химией почв, рассмотрены выше: в разделах» связанных с экологическими факторами и круговоротами биогенных элементов. ** Живаго Н. В., Пиотровский В. В. Геоморфология с основами геологии. М.: Недра, 1971. 288 с. 175
В ней постоянно происходят длительные (многовековые перемещения .материков) и кратковременные (землетрясения) физические процессы, вулканические извержения. Человек практически не воздействует на литосферу, хотя верхние горизонты земной коры подвергаются сильной трансформации в результате эксплуатации месторождений полезных ископаемых. Существуют проекты (отчасти реализованные) захоронения в недрах жидких и твердых промышленных отходов. Такие захоронения, а также подземные ядерные испытания могут инициировать так называемые «наведенные» землетрясения. Наибольшей трансформации подвергается самый верхний, поверхностный горизонт литосферы 6 пределах суши. Суша занимает 29,2 % поверхности земного шара и включает земли различной категории, из которых важнейшее значение имеет плодородная почва. При неправильной эксплуатации почвы безвозвратно уничтожаются в результате эрозии, засоления, загрязнения промышленными и иными отходами. Под влиянием деятельности людей возникает ускоренная эрозия, когда почвы разрушаются в 100—1000 раз быстрее, чем в естественных усло- ловиях. В результате такой эрозии за последнее столетие утрачено 2 млрд га плодородных земельных угодий, или 27 % земель сельскохозяйственного использования. Площади пахотных земель постоянно сокращаются из-за горнопромышленных разработок, расширения селитебных зон, промышленного и гидротехнического строительства. Застроенные земли занимают ныне более 150 млн га, а к 2000 г их площадь может возрасти до 300 млн га. Полностью урбанизированная поверхность, где дождевая вода не проникает в почву, составляет около 50 млнt га (соответствует площади такого государства как Франция). Во время пыльных х>урь (крайней формы почвенной эрозии) с каждого слоя пашни толщиной 1 см сносится до 30 кг/га азота, 22 кг/га фосфора, более 30 кг/га калия. Разрушению почв и интенсификации эрозионных процессов способствует вырубка лесных экосистем — средообразова- телей, площадь которых за последние 10 тыс. лет сократилась вдвое — сначала за счет подсечного хозяйства, а в нынецшем столетии — вследствие промышленной заготовки древесины. Что касается загрязнения литосферы, то в наибольшей степени от него также страдают почвы как верхний горизонт. В почве протекают различные физические, химические и биологические процессы, которые в результате загрязнений нарушаются. Загрязнение почв связано с загрязнением атмосферы и вод. В почву попадают твердые и жидкие промышленные, сельскохозяйственные и бытовые отходы. Основными загряз- 176
няющими почву веществами являются металлы и их соединения, радиоактивные вещества, удобрения и пестициды. Главные источники загрязнения почвы следующие: 1. Жилые дома и бытовые предприятия. В числе загрязняющих веществ преобладают бытовой мусор, пищевые отходы, фекалии, строительный мусор, отходы отопительных систем, лришедшие в негодность предметы домашнего обихода; мусор общественных учреждений — больниц, столовых, гостиниц, магазинов и др. 2. Промышленные предприятия. В твердых и жидких промышленных отходах постоянно присутствуют те или иные вещества, способные оказывать токсическое воздействие на живые организмы и их сообщества. 3. Теплоэнергетика. Помимо образования массы шлаков при сжигании каменного угля с теплоэнергетикой связано выделение в атмосферу сажи, несгоревших частиц, оксидов серы, в конце концов оказывающихся в почве. 4. Сельское хозяйство. Удобрения, ядохимикаты, применяемые в сельском и лесном хозяйстве для защиты растений от вредителей, болезней и сорняков. 5. Транспорт. При работе двигателей внутреннего сгорания интенсивно выделяются оксиды азота, свинец, углеводороды и другие вещества, оседающие на поверхность почвы или поглощаемые растениями. Самоочищение почв, как правило, — медленный процесс. Токсичные вещества накапливаются, что способствует постеленному изменению химического состава почв, нарушению единства геохимической среды и живых организмов. Из почвы токсичные вещества могут попасть в организмы животных, людей и вызвать нежелательные последствия. В почвах накапливаются соединения металлов, например, железа, ртути, свинца, меди и др. Ртуть поступает в почву с пестицидами и промышленными отходами. Суммарные неконтролируемые выбросы ртути составляют 4—5 тыс. т в год, а из каждой тонны добываемого свинца до 25 кг поступает в окружающую среду. Огромное количество свинца выделяется в атмосферу и с выхлопными газами автомобилей. О масштабах химического преобразования поверхности литосферы можно судить по следующим данным: за столетие A870—1970 гг.) на земную поверхность осело свыше 20 млрдт шлаков, 3 млрд т золы. Выбросы цинка, сурьмы составили по 600 тыс. т, мышьяка—1,5 млн т, кобальта — свыше 0,9 млн т, никеля — более 1 млн т *. * Заугольников С. Д., Кочанов М. М. Охрана биосферы от вредных химических веществ. Природа, 1970, № 8. С. 24—27. 177
Глава 4. УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 4.1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ УПРАВЛЕНИИ В ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИИ Управление определяется как процесс целенаправленного воздействия одной системы или подсистемы на другую. В целом система управления складывается из объекта управления и управляющего устройства *. Взаимодействие человеческого общества и природы является совокупностью процессов управления, причем приоритетная роль принадлежит именно человеку. Целенаправленное преобразование природной среды уходит в глубокую древность. Достаточно вспомнить подсечное земледелие, создание систем ирригации. Такие воздействия с позиций кибернетики могут рассматриваться в качестве положительных обратных связей, к природные экологические системы были не в состоянии «справиться» с такими «усиливающими отклонениями» (по выражению Ю. Одуада), не располагая достаточным запасом информации для компенсаций этих отклонений за счет отрицательной обратной связи. Поэтому справедливо утверждение Ю. Одума о том, что человек как геологический фактор находится ныне под сильным воздействием положительных обратных связей. В предыдущих главах книги мы рассматривали последствия природопользования в качестве загрязнения окружающей среды, причем в расширительном смысле: от ингредиентного до стацщально-деструкционного. Для того чтобы избежать необратимых негативных последствий природопользования, общество стало создавать систему мероприятий, именуемых ныне охраной природы или охраной окружающей среды, которая также дредставляет собой совокупность мероприятий по управлению, но в более широком смысле: речь идет об управлении природопользованием. Если ориентироваться на рационализацию природопользования для предотвращения, например, стациально-деструкционно- го или популяционно-биоценотического загрязнения, то очевидно, что в каждой отрасли производства и хозяйства сущертву- ют свои принципы и методы рационализации. Общим для них считается система мероприятий по гармонизации отношений природы и техники. * См., например, Биологическая кибернетика, М.: Высш. шк., 1977. С. 29—34; Человек и биосфера, Ростов-на-Дону, Изд. РГУ, 1977. С, 121— 132; Ю. Одум. Основы экологии. М.: Мир, 1975. С. 487—51. 178
Гармонизация Любое предприятие предназначено для выпуска отношений TOg или иной необходимой продукции. Этой зада- иРтГ^|^и че и подчинена его деятельность. Однако завод или ферма существуют в окружении конкретной среды — экологических систем, которые неизбежно подвергаются воздействию со стороны производства. Пренебрежение состоянием окружающей среды в интересах экономии средств неизбежно ведет к отрицательным последствиям и для самого предприятия. Так, в результате загрязнения воздуха и воды может страдать население, разрушение рекреационных экосистем приводит к неблагоприятным социальным последствиям, погоня за дешевым сырьем может вызвать его дефицит. Следствием окажется большой ущерб предприятию, который мог бы быть значительно меньше, если бы своевременно принимался комплекс лриродоохранных мер. Решать подобные проблемы предлагается на основе гармонизации отношений природных и технических компонентов путем создания и эксплуатации так называемых природно- texHH4ecKHx или геотехнических систем*, которые в Свете экологического подхода правильнее рассматривать в качестве эколого-экономических. Такая система — это совокупность технических устройств и взаимодействующих с ними элементов природной среды, которая в ходе совместного функционирования обеспечивает, с одной стороны, высокие производственные U прочие целевые показатели, а с другой — поддержание в зоне своего влияния благоприятной экологической обстановки, максимально возможное в каждом конкретном случае сохранение и воспроизводство естественных ресурсов. К подобным системам подходят с кибернетических позиций, управляя ими путем регулирования потоков вещества и энергии, поддержания сбалансированности прямых и обратных связей между составляющими компонентами. Производство воздействует на природные системы (положительная обратная связь). Эти воздействия (знак «плюс»), т. е. фактически управление, могут "проявляться в извлечении природных ресурсов, размещении производственных отходов (загрязнении) и т. п. В свою очередь, окружающая среда также может влиять на предприятие (рис. 4.1). Подобные воздействия так или иначе могут привести к разрушению управлямой подсистемы, а следовательно, и всей эколого-экономической системы. Чтобы этого не происходило, необходимы компенсационные ответы со стороны управляемой подсистемы по отношению к управляющей через каналы отрицательной обратной связи (знак «минус»). В принципе эти процессы аналогичны рассмотренным выше при объяснении * Природные ресурсы Русской равнины в прошлом, настоящем и бу- Дущем. М., Наука, 1976. 12* 179
ПРОИЗВОДСТВО ОКРУЖАЮЩАЯ ПРИГОДНАЯ СРЕДА Рис. 4.1. Эколого-экономическая система поддержания гомеостаза экологической системы через подсистему жертва — хищник. Принципиальное отличие в рассматриваемой ситуации состоит в том, что природные системы не располагают достаточным запасом информации для того, чтобы компенсировать влияние на них производства. Поэтому соответствующие функции управления должен брать на себя человек. Это означает, что в эколого-экономической системе должен присутствовать особый блок управления. Он воспринимает информацию От природных систем (окружающей среды) о происходящих в них изменениях, оценивает возможные негативные последствия и передает Соответствующую команду управляющей системе (в данном случае—производственному предприятию). В качестве блока управления могут выступать органы власти или специально уполномоченные ими службы (например, службы охраны окружающей среды). Они получают информацию о состоянии природных систем на основании контроля и мониторинга и предписывают предприятию, например, сокращение выбросов или сбросов, включают экономические рычаги управления, в частности корректируют плату за загрязнение и т. п. Что касается конкретных мер и способов выполнения таких предписаний, то их выбирает само предприятие, решая соответствующую эколого-экономическую задачу. Это могут быть новые очистные сооружения, изменения технологий, замена сырья и топлива, а в ряде случаев и приостановка наиболее устаревших вредных производств. Все эти операции являются частью экологизации производства и оптимизации природопользования. 180
Вполне понятно, что мониторинг, обработка полученной информации, выполнение предприятием команды от блока управления—затратные, энерго- и ресурсоемкие мероприятия. Отсюда и название подобных систем — эколого-экономические. Из изложенного следует, что эколого-экояомические системы должны обеспечивать два принципиальных подхода в управлении окружающей средой. Первый заключается в предотвращении разрушения природных систем путем рационализации природопользования, т. е. по сути своей ориентирован на охрану природы. Второй подход является более узким по содержанию, но в то же время общим для разных отраслей и предприятий. В данном случае имеется в виду защита окружающей среды от ингредиентного и параметрического загрязнения. Это означает обеспечение высокого качества среды, когда антропогенные факторы не выходят за пределы толерантности человеческого организма *. Управление качеством окружающей среды в той части, в которой оно прямо или косвенно связано с природозащитной деятельностью предприятий, включает следующую систему мероприятий: 1. Регламентация (т. е. установление нормативов) содержания вредных веществ в окружающей среде (в почве, воде, воздухе, растительном субстрате, продуктах питания и предметах бытового назначения). 2. Регламентация поступления вредных веществ в окружающую среду, т. е. установление нормативов на сбросы и выбросы для промышленных предприятий по конкретным веществам и их источникам. 3. Прогнозирование переноса и рассеивания вредных веществ в природных средах, процессов превращения этих веществ под влиянием факторов внешней среды (вторичное за* грязнение или встречный синтез), т. е. в более щироком смысле— прогнозирование качества окружающей среды. Прогнозирование в настоящее время осуществляется преимущественно на основе математического и машинного (в том числе так называемого имитационного) моделирования. 4. Соблюдение технологических регламентов работы оборудования и производственных инструкций с целью обеспечения требуемых параметров процессов, влияющих на образование выбросов и сбросов. 5. Контроль за содержанием вредных веществ в окружаю- * Борьба с шумом, вибрацией, электромагнитным и другими подобными формами загрязнения, в известной мере является предметом самостоятельной дисциплины, называемой ныне безопасностью жизнедеятельности, а за- Щита от загрязняющих веществ традиционно является в вузах частью программы курса экологии. 181
щей среде, а также сырье, топливе, материалах, полуфабрикатах. 6. Контроль поступления и содержания вредных веществ в природных средах для принятия мер в случае превышения установленных органами здравоохранения нормативов. 7. Мониторинг состояния окружающей среды (данный вопрос рассматривается в отдельной главе книги). В конечном счете необходимо решить первую важнейшую из перечисленных выше задач: найти пределы толерантности человеческого организма к загрязняющим веществам, содержащимся в выбросах, сбросах и твердых отходах предприятий. Эти пределы и будут лежать в основе нормативов, которые не должны превышаться в окружающей среде (включая воздух, воду, почву, растительность, пищевые продукты). Понятно, что это необходимо, так как полностью изолировать человека от присутствия таких веществ невозможно. Далее предприятие обязано проводить соответствующие мероприятия, чтобы такие нормативы обеспечить. Задача эта очень сложная, и ее решение является предметом особой отрасли знаний, которая называется токсикологией и относится к сфере медицинских наук. Здесь мы рассмотрим лишь некоторые ее аспекты с той целью, чтобы специалист производства проникся осознанием абсолютной безусловности соблюдения нормативов качества окружающей среды и принимал необходимые для этого меры в практической работе. 4.2. ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НОРМИРОВАНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ Следствием попадания в организм чужеродных химических соединений (ксенобиотиков) может быть его отравление, а вызвавшее отравление вещество рассматривают в качестве яда *. Ядами называют вещества, которые при поступлении в организм различными путями (через дыхательное органы, тсожные покровы, пищеварительный тракт) в незначительных количествах способны вступать во взаимодействие с жизненно важными структурами организма и вызывать нарушение его жизнедеятельности, переходящее при определенных условиях в болезненное состояние, то есть в отравление**. Яд — достаточно условное понятие. Действие вещества на организм зависит от многих условий: дозы, поступившей в организм, времени воздействия (экспозиции), содержания в окружающей среде и др. Так, кислород для аэробных организмов является необходимым, а для анаэробных — представ- * Основы промышленной токсикологии. Л.: Медицина, 1977. С. 5, 12, 48. ** Справочник по пестицидам. Киев: Урожай, 1974. С. 9—10. 182
ляет собой опасный яд. Мышьяк в малых дозах используется в качестве лекарственного средства, а поваренная соль в больших количествах может вызвать отравление. Ртуть постоянно присутствует в организме, но определенные ее соединения при попадании в окружающую среду и далее в организм приводят к тяжелым функциональным расстройствам. Вещества, содержащиеся в сбросах и выбросах предприятий, в зависимости от их специфических особенностей, также оказываются ядами, а ситуации, связанные с угрозой отравления человека, получили название «экологических ловушек» *. Так как источником ксенобиотиков является промышленно-тех- ническая деятельность, их называют промышленными ядами**. Токсикологией (от греч. токсикон — яд) называют науку, исследующую взаимодействие организма и яда. Раздел этой науки, касающийся токсичных веществ промышленного происхождения, называется промышленной токсикологией. Последняя, в свою очередь, является разделом гигиены труда, связанным с пррблематикой охраны труда и техники производственной безопасности. Предметом гигиены труда является изучение воздействия трудового процесса и производственной (т. е. тоже окружающей) среды на здоровье работающего. Целью этой отрасли знаний является изучение и разработка санитарно-гигиенических и лечебно-профилактических мероприятий, обеспечивающих здоровье трудящихся в условиях производства. Однако фактически задачи промышленной токсикологии шире, поскольку воздействию промышленных ядов люди подвергаются не только в условиях трудового процесса, но и в населенных пунктах, которые оказываются в зонах рассеивания промышленных выбросов и сбросов. Первой важнейшей задачей промышленной ток- паДмыш е й сикологии является токсикологическая оценка токсикологи^ вредных веществ промышленного происхождения с целью их гигиенической регламентации. Это означает, что в условиях, когда избежать присутствия вредных веществ в окружающей среде нельзя, необходимо устанавливать предельные (максимальные) значения их содержания, при которых эти вещества не оказывают негативного воздействия на организм человека. Таким образом, речь идет о нормировании загрязняющих веществ, т. е. об установлении так называемых предельно допустимых концентраций или других ограничительных нормативов. * Химия окружающей среды. М.: Химия, 1982. С. 32. ** В практике используются также словосочетания «вредные вещества», «загрязняющие вещества», «токсичные вещества». 183
В условиях производства человек, как правило, находится под воздействием не одного, а нескольких разных ксенобиотиков,, а также под совместным (комбинированным) воздействием химических веществ и физических факторов (шума, вибрации, высоких температур, электромагнитных полей и др.). В совокупности все они называются вредными и опасными производственными факторами. Отсюда второй задачей промышленной токсикологии является изучение и рет гламентация совместного воздействия на организм различцых неблагоприятных факторов окружающей (в том числе и производственной) среды. В задачи токсикологии входят также исследования механизмов воздействия ядов на организм, их поведения в живых системах, включая распространение по пищевым цепям в экосистемах и др. Исследования всех этих вопросов—сложный процесс, затрудненный и тем обстоятельством, что эксперименты непосредственно на людях недопустимы. Они проводятся на белых мышах, крысах, кроликах и других животных *. Поэтому перед токсикологией стоит задача разработки научных основ экстраполяции экспериментальных данных с животных на человека. Кроме того, токсикология изучает проявление различных эффектов действия ядов в организме: гонадотропных (влияние на половые железы), эмбриотропных (воздействие на зародыши), мутагенных (вызывание мутаций в генно-хромосомном аппарате), канцерогенных (вызывание злокачественных новообразований). Способность химических веществ вызывать на- в в РУшение жизнедеятельности организма (отрав- ещ ств ление) называется токсичностью**. Оценки токсичности должны иметь четкую количественную интерпретацию, т. е. быть основанными на измерениях. Такие измерения являются предметом токсикометрии. В основе токеикометрических исследований находится изучение зависимости между количеством ядовитого вещества, содержащимся в конкретной среде (субстрате) или поступившем в организм, и реакцией последнего в виде острого, подострого, хронического или смертельного отравления, а также в форме * С позиций экологической этики это также нельзя считать вполне нравственным, так как неизбежно связано с жестокостью по отношению к «братьям меньшим». ** В токсикологии принято различать токсичность и опасность вещества. Токсичность (вредность, ядовитость) характеризуется как мера несовместимости вещества с жизнью или здоровьем, а опасность — как вероятность отравления этим веществом в реальных, условиях его применения или присутствия (См.: Санитарная охрана атмосферного воздуха городов. М.: Медицина, 1976. С. 24). 184
того или иного отдаленного эффекта. При этом имеют значение не только собственно дозы, но и пути поступления вещества в организм, продолжительность его воздействия, состояние самого организма, условия окружающей среды. Количество яда оценивается в единицах его массы, отнесенных к единице массы или объема субстрата (мг/м3 воздуха, мг/л воды, мг или г/кг воздушно-сухой почвы). Эти характеристики называются концентрациями и обозначаются либо латинской буквой С, либо русской К. Количество яда, поступившего в организм, соотносится с массой его тела (мг/кг) и называется дозой вещества (Д или D). Кроме того, концентрации вредных веществ могут выражаться в процентах или частях на миллион (ррт). В токсикометрических исследованиях устанавливаются три количественных характеристики вещества: пороговая доза (или концентрация), иначе называемая порогом однократного воздействия; это наименьшее количества вещества, вызывающее при однократном воздействии такие изменения в организме, которые обнаруживаются при помощи специальных биохимических или физиологических тестов при отсутствии внешних признаков отравления у подопытного животного; обозначаются символами Кшш(Сшш) или Дшшфмин) (минимальная концентрация или доза); токсическая несмертельная доза (концентрация), которая вызывает видимые проявления отравления без смертельного исхода и обозначается символами ЕД или ВК; токсическая смертельная доза (концентрация), которая вызывает отравление, заканчивающееся смертью подопытного животного; обозначается символами ЛК и ЛД, где Л—первая буква латинского слова леталис, что означает смертельный. Токсикометрические исследования проводятся на группах животных. Понятно, что каждая отдельная особь отличается От других морфологически, физиологически, и следовательно, обладает индивидуальной толерантностью (в переделах нормы реакции) к одним и тем же дозам или концентрациям вещества. Поэтому возникает вопрос: какую из оценок, полученных 6 эксперименте, принимать в качестве, например, токсической Шертельной, или пороговой, или токсической несмертельной: ту, Которая подействовала на самую устойчивую, или ту, которая Подействовала на самую слабую особь? Но в первом Случае погибнут все подопытные организмы, а во втором можно получить заниженную характеристику. Наиболее объективную оценку токсичности исследуемого Вещества, приемлемую для сравнения разных веществ, дает та 185
Таблица 4.1. Классификация вредных веществ по степени токсичности и опасности По СН 245—71 и другим источникам Показатели • ЛД50, мг/кг, при введении внутрь ЛДбо, мг/кг, накожно ЛК5о, мг/л ЛКмин, МГ/Л ZoCTp ^хрон квио I чрезвычайно токсичные <15 <Ю0 <0,5 <0,01 <6 >300 Классы токсичности (опасности) II высЪко- токсичные 15-150 100—500 0,5-5,0 0,01-0,1 6-18 10—5 300—30 * Первые четыре показателя характеризуют степень степень опасности вещества. ш умеренно токсичные IV малотоксичные 150—1500 >1500 501-^-2500 >2500 5,1-50 >50 0,11—1,0 >1,0 18,1-54. >54 4,9-2,5 <2,5 30-3 <3 токсичности, а три последние — доза (концентрация), которая вызывает гибель половины E0%) всех подопытных организмов, т. е. JTKso или ЛДбо. Обратные им величины ЛКт? и ЛД*:* рассматриваются в качестве степени токсичности вещества. Естественно, что че,да выше степень токсичцости того или иного вещества, тем более жесткие требования предъявляются при работе с ним или к его присутствию в окружающей среде. Поэтому все токсичные вещества делят на группы токсичности (их называют классами токсичности) (табл. 4.1). Чем меньше значения устанавливаемых в эксперименте токсических доз (концентраций вещества), тем более ядовитым, т. е. токсичным или опасным оно является. Указанные выше оценки— не единственные из числа определяемых в экспериментах для определения степени токсичности вещества. Существуют и многие другие, но они различны в зависимости от того, в каком субстрате (воздухе, воде, почве) содержится данное вещество и каким путем поступает в организм. Воздействие вредных веществ на организм может вызывать два вида отравлений: острое и хроническое. При авариях, нарушениях техники безопасности или регламентов работы оборудования возможно резкое скачкообразное возрастание содержания вредных веществ. При этом могут наступить острые отравления, которые возникают после однократного воздействия и могут приводить к смертельному исходу, хотя и не сразу после отравления (например, оксиды азота могут привести к такому исходу через неделю или более после острого отравления). 186
Хроническое отравление — это заболевание, развивающееся в результате систематического воздействия таких доз вредного вещества, которые при однократном поступлении в организм не вызывают отравления. Действие многих промышленных ядов связано именно с хроническим отравлением, поскольку в обычных производственных условиях, как правило, не создается концентраций, способных вызвать острое отравление. Это относится, например, к соединениям свинца, марганца, парам ртути и др. Но некоторые вещества (например, синильная кислота) вызывают только острые отравления. Поэтому для обоснования нормирования загрязняющих веществ в окружающей среде необходимо устанавливать не одно,, а два значения пороговых концентраций: для однократного /(мин. астр и хронического /(мин. хрон воздействия. Значения пороговых хронических концентраций ниже, чем острых (однократных). Например, некоторое вещество может вызвать заболевание при длительном воздействии в концентрации в воздухе 0,05 мг/м3, а острое отравление — при разовом воздействии в концентрации 1,0 мг/м3. Если значения таких показателей как ЛКбо или ЛДбо характеризуют токсичность вредных веществ (их несовместимость с жизнью и здоровьем), то вероятность угрозы отравления (опасность) оценивается другими показателями (см. табл. 4.1). Это, в частности, так называемая зона однократного острого (Zoctp) и хронического (Zxpoh) действия и зона (коэффициент) возможного ингаляционного отравления (КВИО). Величина Z0Ctp характеризует диапазон концентраций между среднесмертельной концентрацией JIKso и порогом однократного воздействия Кмин. остр и определяется по формуле Z0CTp = ЛКбо/Кмин. остр- D.1) Понятно, что чем ближе друг к другу значения числителя и знаменателя, тем меньше отношение между ними и тем более опасным является данное вещество. Правда, эти значения могут оказаться близкими как для высокотоксичных, так и для малотоксичных веществ, вследствие чего значения Z оцениваются с указанием фактических границ токсичности. Величина Zxp0H характеризует опасность хронического поступления (интоксикации): чем шире данная зона, тем выше опасность, поскольку прц этбм возрастает угроза накопления (т. е. кумуляции) вещества в организме. Эта величина определяется как отношение /Смин. остР//(мин. хрон. Что касается КВИО, то этот показатель характеризует э ф - фективную токсичность вещества и определяется как отношение его насыщающей концентрации в воздухе при тем- 187
лературе 20 °С (/(го) к среднесмертельной D.2) Принадлежность вещества к тому или иному классу токсичности (опасности) определяет правила техники безопасности и производственной гигиены, а также специфику разработки нормативов его содержания в окружающей среде. К м ция Хроническое отравление происходит в результа- у те длительного воздействия яда на организм и связано с его постепенным накоплением в органах и тканях, т. е. с кумуляцией. Одновременно накапливаются и физиологические изменения в организме. При накоплении яда говорят о материальной, а при накоплении изменений — о функциональной кумуляции. Количественная оценка функционального кумуляционного эффекта вредного вещества называется коэффициентом кумуляции (Кк) и определяется как отношение суммарной дозы, полученной организмом при неоднократном экспериментальном введении вещества в количестве, равном среднесмертельной дозе (концентрации), т. е. ЛДбо, к той же величине, но при одноразовом введении: Кк = (Х ЛДбо)/ЛД5о. D.3) Обратное отношение этих двух величин (S) называется степенью кумуляции и обычно выражается в процентах. По кумулятивному воздействию все токсичные вещества также делят на четыре группы: сверхкумулятивные (Кк< 1, S > 100); с выраженной кумулятивностью (Кк=1ч-3, S = 100 -г- 34); среднекумулятивные (Кк=3 -ь 5, 5=33 -г- 20); слабокумулятивные (Кк > 5, S < 20). Все рассмотренные выше характеристики ядовитых веществ в конечном счете необходимы для обоснованного гигиенического нормирования их содержания в природных средах, т. е. для установления ПДК. В промышленной токсикологии нормируется содержание вредных йеществ преимущественно в воздушной среде предприятий — в рабочих помещениях и на территории. Но в санитарной охране окружающей среды учитывают и то обстоятельство, что в зонах рассеивания промышленных выбросов могут оказаться населенные пункты, где загрязненным воздухом будет дышать население, т. е. те же трудящиеся в нерабочее время й — круглосуточно — члены их семей. Для оценки опасности вредных веществ при их Оценка опасности поступлении в воду используют совокупность вводной^реде™ иных специфических токсикометрических характеристик, в зависимости от значений которых конкретное вещество и относят к тому или иному классе
Таблица 4.2. Последовательность установления класса опасности химического вещества в воде и критерии классов опасности Последовательность (этап исследований) 1 2 3 4 Критерии оценки МНК/ПКорл МНК/ПКсан МНК, мг/л ЛД50/МНД ПДотд/ПДобщ I чрезвычайно опасные 0,001 10е 1 Классы II высокоопасные 1 1 0,001-0,1 10е—10е 1—10 гласности III умеренно опасные 1—10 0,1—10 Ю«—104 10—100 IV малоопасные 10 и более То же 10* и менее 100 и более су опасности. Основным показателем здесь является под пороговая (максимальная недействующая) кон* центрация МНК, мг/л, определяемая по санитарно-токсикологи- ческим признакам при поступлении вещества в организм с водой. Другим показателем является подпороговая максимальная недействующая) доза вещества МНД: МНК/20. D.4) Таким образом, подпороговая доза в 20 раз меньше, чем соответствующая концентрация данного вещества в воде. Поскольку наряду с раздражающим, токсическим или комплексным действием на организм многие вещества обладают специфическими привкусами и запахами, оценивается также подпороговая органолептическая концентрация ППКорл, определяемая восприятием вещества органами чувств. Кроме названных, к токсикометрическим характеристикам вредных веществ в воде относятся: пороговая концентрация, не влияющая на санитарные характеристики воды в водном объекте, ПКсан; пороговая доза по отдаленным эффектам, ПДотд; пороговая доза по общетоксическому действию, ПДобщ. Класс опасности вещества в воде устанавливается в четыре этапа, причем на первых двух этапах чрезвычайно опасные вещества не определяются. Для установления класса опасности используют различные отношения между экспериментально установленными характеристиками (табл. 4.2). Загрязнение почвы — это антропогенное изменение ее физических, химических и биоло- веществ в почве гических характеристик, вызывающее снижение плодородия или опасность для здоровья населения, животных и растительных организмов. Почва может Загрязняться преимущественно твердыми и жидкими отходами йромышленных и сельскохозяйственных предприятий, бытовы- 189
ми отходами. К числу наиболее значимых загрязняющих компонентов почвы принадлежат патогенные микроорганизмы (бактерии^ вирусы, грибы и др.), вызывающие заболевания человека и животных. Химическое загрязнение почвы происходит в сельском хозяйстве в результате применения пестицидов и удобрений, а на территориях свалок — полигонов — вследствие накопления токсичных твердых отходов. Периодическое загрязнение почвы, способное переходить в хроническое, возникает и при временном складировании твердых отходов на территории предприятий. Вредные химические вещества, содержащиеся в почве, непосредственно на человека не влияют, но могут поступать в организм в основном через разные звенья пищевых цепей, а также в результате загрязнения воздуха и воды. Экспериментальными методами устанавливаются, в частности, токсикометрические характеристики загрязняющих веществ в почве: миграционный воздушный показатель вредности МА, мг/м3, характеризующий переход веществ из пахотного слоя почвы в атмосферный воздух; транслокационный показатель вредности ТВ, мг/кг, характеризующий переход химического вещества из пахотного слоя почвы через корни в растение и накопление его в зеленой массе; общесанитарный показатель зредности ОС, мг/кг, характеризующий влияние химического вещества на способность почвы к самоочищению и на микрофлору почвы (на 1 кг воздушно-сухой почвы). Поскольку инженер ам-химикам-технологам промышленных предприятий сравнительна редко приходится встречаться с этими характеристиками, мы не рассматриваем этот вопрос более подробно. 4.3. РЕГЛАМЕНТАЦИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ Гигиеническая регламентация вредных (загрязняющих) веществ в природной среде заключается в установлении так называемых санитарно-гигиенических нормативов их содержания в воздухе, воде, почве, а также в растениях, продуктах питания, материалах. В данной книге рассматриваются в основном вопросы, касающиеся регламентации загрязняющих веществ в воздухе, воде и почве Устанавливаемые для них нормативы содержания загрязняющих веществ представляют собой упомянутые выше предельно допустимые концентрации ПДК. 190
ПД К — это норматив — количество вредного вещества в окружающей среде, отнесенное к массе или объему ее конкретного компонента, которое при постоянном контакте или при воздействии в определенный промежуток времени практически не оказывает влияния на здоровье человека и не вызывает неблагоприятных последствий у его потомства *. Данное определение универсально, но с точки зрения токсикологии является слишком неконкретным. В предыдущем разделе было показано, что в воздействии загрязняющих веществ, содержащихся в воде, воздухе или почве, на организм имеются существенные различия, и, следовательно, ПДК должны устанавливаться на основе различных токсикометрических оценок. Поэтому и принципы нормирования загрязняющих веществ в разных средах различаются. Нормирование Согласно ГОСТ 17.2.1.04—77, загрязнением загрязняющих атмосферы называется изменение состава веществ атмосферы в результате наличия в ней при- в воздухе месей Загрязнение, обусловленное деятельностью человека, называется антропогенным загрязнением. Под примесью тот же ГОСТ понимает рассеянное в атмосфере вещество, не содержащееся в ее постоянном составе. Таким образом, к примесям могут относиться не только токсичные, но и нетоксичные вещества, например уменьшающие прозрачность воздуха. Необходимость нормирования содержания вредных веществ была понятна очень давно. В нашей стране еще в 20-е годы впервые были введены нормативы ПДК на некоторые вещества в рабочих помещениях. В начале 70-х гг. перечень ПДК, приведенный в «Санитарных нормах проектирования промышленных предприятий» (СН 245—71), включал более 600 названий вредных веществ. Напомним, что с позиций экологии ПДК вредных веществ имеют смысл верхнего предела устойчивости организма, при превышении которого то или иное вещество (т. е. фактор) становится лимитирующим. Все загрязняющие вредные вещества в токсикологии принято оценивать по их воздействию на организм. Наиболее характерными являются собственно токсические (резорбтивные) и рефлекторные (органолептические) воздействия. Рефлекторные реакции могут проявляться в форме ощущения запаха, световой чувствительности и т. п. Резорбтивное действие может быть общетоксическим, канцерогенным, мута- г и др. Эти обстоятельства вызвали необходимость устанавливать * Н. Ф. Реймерс. Природопользование. М.: Мысль. С. 245. 191
для загрязняющих воздух веществ два вида предельно допустимых концентраций: максимальную разовую и среднесуточную. Первая вводится с целью предупреждения негативных рефлекторных реакций при кратковременном воздействии и обозначается ПДКм. р, а вторая—для предупреждения токсического действия (ПДКс.с). Слово «разовая» имеет определенный количественный смысл: кратковременным рефлекторным действием вещества считается 20 мин, и поэтому при контроле загрязненности воздуха такими веществами- пробы берутся однократно в течение двадцати или тридцати минут. С ПДКс.с сравнивают концентрации, определяемые несколько раз в течение суток (обычно 4 раза, иногда — каждый час). При этом учитывается следующие обстоятельства. Во-первых, из-за неустойчивости направлений ветра примеси могут присутствовать или отсутствовать в населенном пункте: ветер может быть направлен от источника выброса к населенному пункту или в сторону от него. Поэтому концентраций могут быть выше или ниже ПДКс, с в течение того или иного отрезка времени. Во-вторых, вредные вещества могут обладать как рефлекторным, так и резорбтивным действием на организм. Например, то или иное вещество может оказать рефлекторное воздействие при значительно более низкой концентрации, чем резорбтивное. Таковы летучие вещества, обладающие резким запахом или раздражающим действием, например хорошо известный метил- меркаптан. Другие вещества, не обладая раздражающим действием (не имея запаха, цвета), ядовиты при низких концентрациях, т. е. отравление начинается раньше, чем человек способен ощутить присутствие этих веществ. Примером может служить монооксид углерода. Поэтому существует такое правило: если рефлекторное (раздражающее) действие токсиканта начинается при более низкой концентрации, т. е. раньше, чем резорбтивное, то ПДКм.р^ПДКс.с Если же прц более низкой концентрации начинается токсическое (отравляющее) действие, то ПДКм. р превышает ПДКс.с в 2—10 раз. Для веществ, порог токсического воздействия которых на организм пока не известен,, а также для особо опасных веществ существуют только максимальные разовые ПДК. Для условий производственных помещений устанавливаются для всех нормируемых веществ только максимальные разовые ПДК. Раздельное Гигиеническое нормирование сталкивается с су- нормирование щественными затруднениями организационного, загрязняющих технического, физиологического характера. веществ в воздухе Обратимся, к рис. 4.2. Мы знаем, что экологическая ниша человека (как совокупность его требований к ре- 192
ьу//щп • .... • - - - - . • >•""¦ ^' «i ^ • .•'•-..• Факел оыороса или С ^0,3 ПДКD i . - i' i ^Границы территории.^ предприятия ~ _3она рассей 6 а ни я примесей Границы зоны ^ жилой застройки Рис. 4.2. Схема нормирования примесей в воздухе в связи с их переносом и рассеиванием, а также токсикологическими принципами жимам факторов) неизменна,, где бы он ни находился. Это означает, что условие С ^ ПДК должно соблюдаться в любых местах пребывания человека *. Очевидно, что содержание примесей в воздухе рабочего помещения неизбежно больше, чем на площадке предприятия и, тем более — за ее пределами, т. е. в населенных пунктах, куда примеси доходят в той или иной мере рассеянными. В этих oбcтoятeльcfвax нереально иметь единую ПДК для того или иного загрязняющего вещества. Поэтому разработаны так называемые принципы раздельного нормирования загрязняющих веществ. Это значит, что для каждого вредного вещества устанавливается несколько максимальных разовых предельно допустимых концентраций в воздушной среде: как минимум две. В частности, одно значение ПДК устанавливается в воздухе рабочей зоны (ПДКр.з), под которой понимают пространство в двух метрах от пола, где находятся места постоянного или временного пребывания работающих, другое — в атмосферном воздухе населенного пункта (ПДКа.в). ПДКр.з — это концентрация, которая при ежедневной, кроме выходных дней, работе в течение 8 ч или при другой продолжительности рабочего дня, но не более 41 ч в неделю в те- * Действующие в настоящее время нормативные документы, касающиеся санитарно-гигиенической регламентации загрязнения среды и природозащит- ной деятельности предприятий, используют латинское обозначение величины «концентрация» — С. 19а
чение всего рабочего стажа, не может вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследования, в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений. Как видим, при нормировании загрязняющих веществ учитывается экспозиция, т. е. время пребывания людей в зоне загрязнения, что связано с возможностью хронических и острых отравлений. На территории предприятия содержание примесей принимается равным 0,3 от ПДКр. з. Снижение нормы содержания примесей на территории предприятия втрое по сравнению с ПДКр. з вызывается тем, что воздух территории предприятия используется для вентиляции производственных помещений, где концентрация примесей периодически может быть весьма высокой, т. е. превышать ПДК р.з. Поэтому приточный воздух, используемый для проветривания рабочих помещений, должен быть значительно менее загрязненным. ПДКа. в — это максимальная концентрация примеси, отнесенная к определенному времени осреднений, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывает на него вредного влияния, включая отдаленные последствия, и на окружающую среду в целом. Как видим, разница в определениях существенная: ПДКр.з безвредна только для ограниченного пребывания человека в загрязненной зоне (8 часов и только в течение рабочего стажа), в то время как ПДКа. в —не должна лимитировать состояние организма в течение всей жизни человека при неограниченном по времени вдыхании загрязняющего вещества. Таким образом, необходимость раздельного нормирования загрязняющих веществ определяется уже известным нам законом толерантности: на предприятии в течение рабочего дня загрязненным воздухом дышат практически здоровые, прошедшие необходимое медицинское освидетельствование люди, а в населенных пунктах — круглосуточно находятся не только взрослые, но и дети, пожилые люди, беременные и кормящие женщины, люди, страдающие заболеваниями сердечно-сосудистой, дыхательной системы. Поэтому ПДКр. з > ПДКа. в. Например, для диоксида серы ПДКр.з = 10 мг/м3, а ПДКа.в=0,5 мг/м8. Для метилмеркаптана эти показатели соответственно составляют 0,8 мг/м3 и 9. 10-* мг/м3. Наряду с предельно допустимыми концентрациями существуют временно допустимые концентрации (ВДК), иначе называемые ориентировочными безопасными уровнями воздействия (ОБУВ). Предельно допустимые концентрации устанавливаются на основании экспериментов на подопытных животных, что требует достаточно длительного времени. На первом этапе установления ПДК определяются основные токсикометрические харак- 194
теристики исследуемых веществ, но фактически установленные в результате экспериментов нормативы считаются временно допустимыми концентрациями. На втором этапе эти исследования продолжаются и носят проверочный характер, а на третьем осуществляются клинико-статистические исследования работающих в течение трех лет для проверки правильности полученных в экспериментах на животных значений. Только после второго этапа полученные нормативы могут быть утверждены в качестве ПДК. Однако в современных условиях нередко возникает необходимость ускоренного определения ПДК новых веществ. Для этого используются расчетные методы. В основе расчетов находится установление физиологических порогов воздействия веществ на организм. Можно, например, установить порог обонятельного ощущения, порог световой чувствительности глаза и т. п. и далее использовать для расчета формулы линейной регрессии для определения ориентировочных значений ПДК *. Например, Ю. А. Кротовым предложена формула для определения максимальной разовой ПДК по порогу обонятельного ощущения: lg ПДКм. р == 0,96 lg xi - 0,51, D.5) где 4"t — порог обонятельного ощущения у наиболее чувствительных лиц, мг/м3. Предельно допустимую среднесуточную концентрацию также можно определить по аналогичному порогу: lg ПДКс. с «= 0,86 lg xx - 0,79. D.6) В настоящее время известно много подобных формул, в том числе для определения ЩЩС. с через ПДКр. з или через JIKso- Полученные расчетным путем значения ПДК достаточно близко совпадают с полученными экспериментально, но дальнейшие проверки необходимы. Поэтому в настоящее время считается, что установленные расчетным путем нормативы должны рассматриваться в качестве ВДК (ОБУВ). В соответствии с раздельным нормированием уровней загрязнения воздуха в рабочих зонах и в населенных пунктах, устанавливаются различные требования к уровню загрязнения в пределах площадок предприятий и в районах жилой застройки. С учетом рассеивания концентрации вредных веществ не должны превышать: * См.: Г. В, Новиков, А. Я. Дударев. Санитарная охрана окружающей среды современного города. Л.: Медицина, С. 52—53; Г. П. Беспамятное, Ю. А. Кротов. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. Л.: Химия, 1985. 528 с. 195
Предельно допустимая концентрация (ПДК) Максимальная , разовая в рабочей зоне Максимальная разовая на территории (площадке) предприятия КЗПД В атмосферном воздухе населенного пункта Максимальная разовая ПДК Среднесуточная (ПДКС.С) Максимальная разовая для крупных городов и курортов <0.8ПДКм.р) Рис. 4.3. Классификация предельно допустимых концентраций в воздухе на территории предприятия 30 % от ПДКр. з (ПДКп.п<0,ЗПДКр.э); ' в воздухе населенных пунктов— ПДКм. р и ПДКс. с; в воздухе населенных пунктов с населением более 200 тыс. чел. и в курортных зонах — 80 % 'от ПДКм. р (рис. 4.3). При проектировании предприятий в районах, где атмосферный воздух уже загрязнен выбросами от других, ранее построенных и действующих предприятий, необходимо нормировать их выбросы с учетом уже присутствующих в воздухе примесей. Их содержание, рассматривается в качестве фоновой концентрации Сф. Если имеется несколько лоточников выбросов вредных веществ, то требования к качеству воздуха определяются следующим образом: на территории предприятия V С*<0,ЗПДКр.з-Сф, га для воздуха населенного пункта D.7) D.8) где d — концентрация вредного вещества, поступающего от 1-го источника; Сгщ — наибольшая концентрация вредного вещества в атмосферном воздухе населенного пункта от t-ro источника, N — число источников» через которые данное вредное вещество поступает в воздушный бассейн. 196
Если в атмосферном воздухе присутствуют выбросы нескольких веществ, обладающих эффектом суммации, то необходимо переходить к безразмерным концентрациям. Условия санитарных норм будут выполнены, если: к t<l при щ = С*/(ПДК* - Сф|). D.9; 4.10) Контроль и управление качеством воды в вод- Нормирование ных объектах (водоемах и водотоках) пред- загрязняющих ставляют собой санитарную охрану водоемов. объектах* ВОАНЫХ В отличие от атмосферы, вода — более жестко локализованное в пространстве природное тело, всегда ограниченное в водоемах их берегами и дном. Это существенным образом сказывается на последствиях ее загрязнения с точки зрения влияния как на здоровье человека, так и на экосистемы. Следует иметь в виду, что словосочетание «водный объект» (как и «водоем», «водоток») используется в качестве технического термина, но фактически речь идет о качестве воды в водных экологических системах (биогеоценозах), где аналогично воздуху в наземных экосистемах вода является постоянной средой обитания для множества живых организмов, чьи экологические нищи здесь локализованы, т. е. для водного биоценоза. Важнейшей водоохранной задачей в условиях промышленной и хозяйственной деятельности общества, а также с учетом того, что целенаправленное или случайное отведение жидких «отходов» в водные объекты практически неизбежно, является установление допустимых нагрузок на них при водопользовании и водопотреблении. Водопользование — это использование воды без изъятия ее из мест естественной локализации. Основными водопользователями являются рыбное хозяйство, гидроэнергетика, водный транспорт. Водопотребление — это использование воды, связанное с изъятием ее из мест локализации с частичным или полным безвозвратным расходованием или с возвращением в источники водозабора в измененном (загрязненном) состоянии, т. е. с примесями. Основные водопотребители — сельское хозяйство, промышленные производства, культурно-бытовое хозяйство. Степень предельно допустимого загрязнения воды в водном объекте, зависящая от его физических особенностей и способности к нейтрализации примесей, рассматривается как предельно допустимая нагрузка ПДН. Но поскольку использование воды связано с изъятием ее из водоема (или водотока) и угрозой истощения этого объекта, разрушением эко1 197
системы, ъ также с использованием для целей купания, рыбной довли, отдыха на воде, то ограничение нагрузки только с точки зрения поступления в воду загрязняющих веществ оказывается недостаточным. Поэтому в настоящее время стоит проблема разработки нормативов предельно допустимой экологической нагрузки на водные экосистемы ПДЭН. В общем случае допустимая нагрузка на водоем (при его загрязнении) определяется.как разность между установленной нормативной нагрузкой, т> е. возможностью сброса СНОрм ц уже существующей, т. е. фактической нагрузкой Сфакт: Сдоп == Онорм """" ?ф1нст» D.11) Согласно действующим в России «Правилам охраны по- эерхностных вод. Типовые положения» A991), данный водный объект считается загрязненным, если показатели состава и свойств воды в нем изменились под прямым или косвенным влиянием производственной деятельности и бытового использования населением и стали частично или полностью непригод- нцмц хотя бы для одного из видов водопользования. Если же примеси (загрязняющие вещества) присутствуют в воде в пределах нормативов, то водный объект загрязненным не считается. Таким образом, загрязненность воды — не абсолютное понятие: оно относится только к вполне определенному месту или зоне водного объекта и к конкретному виду водопользования. Поэтому водный объект вне места водопользования не считается загрязненным, даже если его экосистема полностью разрушена вследствие сброса вредных веществ. Такое положение является объективно вынужденным, ибо полностью прекратить сбросы и разбавление в природных водах загрязняющих веществ пока нереально, однако с экологических позиций оно совершенно неприемлемо, ибо из него следует, что вне места водопользования водная экосистема, -даже полностью разрушенная; загрязненной не считается. Поэтому экологически грамотные инженеры производства должны, независимо от того, обеспечена, или нет допустимая нагрузка на водный объект, принимать все технически доступные меры для минимизации сброса в него загрязняющих веществ. Под загрязненностью водного объекта понимают такое его состояние в официально установленном месте использования воды, при котором наблюдается уклонение от нормы в сторону увеличения содержания тех или иных нормируемых компонентов. Отсюда загрязняющим воду веществом считается не любая примесь и не в любом количестве, а лишь избыточная, которая приводит к нарушению нормативов качества воды. 198
Водоохранными мероприятиями называют комплекс мероприятий, осуществление которых обеспечивает соблюдение норм качества воды в местах водопользования. Это положение «Правил. ..», как и все предыдущие, с позиций экологии и охраны природы совершенно неправомерно, ибо просто невозможно охранять водную (единую!) экосистему, проводя охранные мероприятия только в местах пользования водой. Основным нормативным требованием к качеству воды в водном объекте является соблюдение установленных предельно допустимых концентраций, т. е. группы экологических стандартов, оценивающих состояние водной экосистемы и качество воды с точки зрения ее опасности (или безопасности) для здоровья. Предельно допустимая концентрация примеси в воде водного объекта (реке, озере, море, подземных водах) — это такой нормативный показатель, который исключает неблагоприятное влияние на организм человека и возможность ограничения или нарушения нормальных условий хозяйственно-питьевого, культурно-бытового и других видов водопользования. Иными словами, ПДК вредных веществ в водном объекте — это такая концентрация, при превышении которой вода становится непригодной для одного или нескольких видов водопользования (ГОСТ 17403—72). Состав и свойства воды в водных объектах должны соответствовать нормативам в створе (поперечном сечении), заложенном на водотоках — в 1 км выше (рис. 4.4) ближайшего по течению пункта водопользования (хозяйственно-питьевое водоснабжение, место купания, организованного отдыха, территория населенного пункта и т. п.), а на непроточных водоемах — в радиусе 1 км от пункта водопользования (рис. 4.5). Как и для примесей в атмосферном воздухе, для веществ, загрязняющих воду, установлено раздельное нормирование ка- Рис. 4.4. Нормирование загрязняющих веществ в воде водотока 199
Пункт водополо зо батя с*пдк 1-с>ЛДк_ / ___ — Рис. 4.5. Нормирование загрязняющих веществ в воде непроточного водоема чества воды, хотя принцип разделения здесь иной и связан он с приоритетным назначением водного объекта, т. е. с категориями водопользования (рис. 4.6). К качеству воды каждой из показанных на рисунке категорий водопользования предъявляются различные требования: в одних случаях более, в других — менее жесткие. Например, присутствие хлорорганических ядохимикатов (ДДТ, гексахлоран) в хозяйственно-питьевых и культурно-бытовых водных объектах допускается в весьма ограниченных количествах: концентрации соответственно 0,02 и 0,1 мг/л. В воде рыбохозяйствен- ных водоемов присутствие этих веществ вообще не допускается (вещества не должны определяться существующими методами КАТЕГОРИИ ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ Использование для нужд населения (I) Использование для целей рыбного хозяйства (II) 1 1 1 Хозяйственно- питьевое и для предприятий пищевой промышленности Культурно- бытовое (купание, спорт, отдых) i 1 1 1 Места нереста, массового нагула, зимовальных ям; бхранные зоны хозяйств для воспроиз- 1 водства водо- обитающих организмов Для сохранения и воспроизводства ценных видов рыб с высокой чувствительностью к содержанию кислорода Для других рыбохозяй- сТвенных целей Рис. 4.6. Категории водопользования 200
анализа), что объясняется закономерностью прогрессивного накопления токсикантов в пищевых целях. Некоторые вещества могут оказывать неблагоприятное воздействие на организм только при попадании внутрь, другие опасны, кроме того, и при контактном воздействии. Соответственно присутствие первых ограничивает возможности для купания и умывания (санитарное ограничение), а вторых — лимитирует использование воды для питья и приготовления пищи (санитарно-токсиколо- гическое ограничение). Некоторые вещества являются вредными в сравнительно высоких концентрациях именно при контактном воздействии или при воздействии на органы чувств, и поэтому их ПДК в водных объектах первой категории имеют высокие значения с общесанитарной точки зрения. Однако в водных объектах второй категории они оказываются токсичными для ихтиофауны (рыб), и здесь на первое место выдвигается их токсическое действие. Соответственно ПДК на эти вещества ужесточаются. Например, если в водных объектах первой категории ПДК для аммиака (по азоту) составляет 2 мг/л, то для второй категории — она в 40 раз ниже. Есть вещества малоядовитые, но обладающие резким стойким запахом, например нефтепродукты. В водных объектах первой категории преимущественное значение имеет запах, и поэтому в основе ограничения — органолепти- ческие свойства воды, загрязненной этими продуктами (ПДК = =0,3 мг/л). Однако ткани рыб, обитающих в водоемах рыбо- хозяйственного назначения, приобретают резкий запах, а кроме того, нефть губительна для икры, личинок, молоди рыб. Поэтому в рыбохозяйственных водных объектах присутствие нефти лимитируется прежде всего по рыбохозяйственному показателю и ПДК снижается до 0,05 мг/л. Таким образом, для обеспечения чистоты водных объектов одновременно с предельно допустимыми концентрациями используется другой ограничительный норматив: лимитирующий показатель вредности, не имеющий количественной характеристики, а отражающий приоритетность требований к качеству воды в тех случаях, когда водный объект имеет полифункциональное назначение. В водных объектах культурно-бытового и хозяйственно-питьевого назначения в основу приоритетности нормирования положены преимущественно санитарно-токсикологический, общесанитарный и органолеп- тический лимиты, а в рыбохозяйственных — в основном токсикологический и отчасти органолептический. Значения предельно допустимых концентраций вредных веществ в водных объектах различны для разных категорий водопользования и их перечни также различны: для водных объектов первой категории установлены ПДК на 1717 вредных веществ, второй — 952, причем лишь немногие из них повторяются в обоих 201
перечнях. Понятно, что различные вещества могут иметь одинаковый лимитирующий показатель вредности при различных значениях предельно допустимых концентраций. Нормирование загрязняющих веществ в воде учитывает три главных критерия: влияние вещества на общий санитарный режим воднрго объекта; влияние на органолептические свойства воды; влияние на здоровье населения. Первый критерий связан с влиянием загрязняющих веществ на процессы самоочищения воды от органических загрязнений в сточных водах. В первую очередь определяется, какое количество кислорода необходимо для окисления органики и развития водной микрофлоры. Критериальной характеристикой воды в этом случае является биохимическое потребление кислорода БПК. Подробно этот вопрос изучается в курсах химии и микробиологии природных и сточных вод. Пороговые значения второго критерия устанавливаются на группах людей-добровольцев, отобранных по способности к восприятию запахов. Порог запахового ощущения для самых чувствительных индивидуумов принимается в качестве ПДКв для данного вещества. Более сложно исследовать влияние вредных веществ на здоровье людей. Для этого проводятся санитарно- токсйкологические исследования с целью установления максимальной недействующей дозы (концентрации) вещества (МНК). Эксперименты осуществляются на крысах, морских свинках или на других теплокровных животных, причем диапазон исследуемых концентраций вредных веществ довольно широк: они различаются в 5—10 раз, а опыт длится в течение шести месяцев и дольше. Для того чтобы выявить так называемые минимальные эффекты, используют метод условных рефлексов, т. е. реакции тест-объектов на присутствие в воде загрязняющих веществ. Прочие Загрязнение воды связано не только с присут- требования ствием в ней токсичных или дурнопахнущих к составу веществ, но и с изменением ряда других физико- и свойствам химических показателей. В водных экосистемах воды имеют значение режимы таких экологических факторов, как содержание взвешенных веществ, минеральный состав, растворенный кислород, температура, рН и др. (табл. 4.3), Состав и свойства воды в створах водопользования ни по одному из названных показателей не должны превышать установленных нормативов. В случае использования водного объекта 202
Таблица 4.3. Некоторые общие требования к составу и свойствам воды Показатели состава й свойств воды в водном объекте Категория водопользования Для ственно-питьевого водоснабжения и пищевых предприятий Для купания, спорта, отдыха и в черте населенных мест Для воспроизводства ценных и требовательных к кислороду видов рыб Для прочих рыбохозяй- ственных целей Взвешенные вещества: увеличение содержания по сравнению с природным уровнем не более, мг/л Плавающие примеси Запахи, привкусы Окраска Температура Реакция (рН) БПК при 20 °С не более, мг/л Ядовитые вещества Растворенный кислород 0,25 0,75 0,25 0,75 На поверхности водоема не должны обнаруживаться плавающие пленки, пятна минеральных масел, жиров и других примесей Не более 2 баллов, об- Вода не должна сооб- наруживаемых: щать посторонних при- непосредст- непосредст- вкусов мясу рыб венно или венно при хлорировании Не должна обнаружи- Вода не должна иметь ваться в столбике: окраски 20 см 10 см Летом не должна повы- Не допускается повышаться более чем на шение (в сравнении с ес- 3°С по сравнению со тественной) более чем средней для самого жар- на 5 °С, с общим повы- кого месяца шением более 20 ° С летом и 5 °С зимой В пределах 6,5—8,5 3,0 6,0 3,0 3,0 В концентрациях не б?- В концентрациях, не лее ПДК оказывающих прямого или косвенного воздействия на рыб и их кормовые объекты В любой период года не В зимний (подледный) менее 4 мг/л в пробе, период не ниже: взятой до 12 4N 6,0 мг/л 4,0 мг/л для различных нужд приоритетными являются более жесткие требования в ряду одноименных показателей. Предприятие, имеющее сточные воды, несет ответственность за превышение тех или иных показателей качества воды в водном объекте и обязано обеспечивать их соблюдение с помощью совокупности инженерных и организационных мероприятий. Понятно, что в реальных условиях возникает немало сложностей, связанных, например, с гидрологическими особенностями водного объекта: профилем дна, извилистостью реки, глубиной, 203
благоприятным по водйости режимом и др. Так, разбавление примесей зависит от расхода воды в реке, который периодически меняется в разное время года и в разные годы. Кроме того, в воде уже могут присутствовать одноименные примеси от предприятий, расположенных выше по течению, которые образуют фоновое загрязнение. Специфическая форма последствий загрязнения — перерасход кислорода в воде в результате его потребления на окисление примесей, дыхание размножающихся массово организмов (в первую очередь — сине-зеленых водорослей). Мерой угрозы эвтрофи'кащш служат характеристики потребления кислорода как в сточных, так и в природных водах. Они называются химическим и биохимическим потреблением кислорода (ХПК и. БПК) *. Подробно эти вопросы рассматриваются в специальных курсах, и мы ограничиваемся здесь лишь их нормативными определениями, необходимыми для рассмотрения в дальнейшем некоторых вопросов, связанных с экологией. Нормирование Нормирование загрязняющих веществ в почве загрязняющих имеет три направления: во-первых, нормировав веществ ние содержания ядохимикатов в пахотном (кор- в почве необитаемом) слое почвы сельскохозяйственных угодий, во-вторых, нормирование накопления токсичных веществ на территории предприятия, и, в-третьих — нормирование загрязненности почвы в жилых районах, преимущественна в местах временного хранения бытовых отходов. В пахотном слое почвы вредные вещества нормируются по двум показателям: предельно допустимым (ПДКп) и временно допустимым концентрациям (ВДКп)* Д^я установления ПДКп испЬльзуют данные о фоновых концентрациях исследуемых веществ, их физико-химических свойствах, параметрах стойкости, токсичности. При этом экспериментально устанавливают: допустимую концентрацию вещества в почве, при которой его содержание в пищевых и кормовых растениях не превысит некоторых допустимых остаточных количеств (ДОК), иначе называемых ПДК в продуктах питания (ПДКпр); допустимую (для летучих веществ) концентрацию, при которой поступление вещества в воздух не превысит установленных ПДК для атмосферного воздуха (ПДКа„в); * ХПК — количество Ог в мг/л или г/л воды, необходимое для окисления углеродсодержащих веществ до СО2, Н2О, NOJ, серосодержащих веществ— до сульфатов, фосфорсодержащих — до фосфатов. БПК — количество О2, израсходованное в определенный промежуток времени на собственно биохимическое окисление (разложение) нестойких: органических соединений в исследуемой воде. 204
допустимую концентрацию, при которой поступление вещества в грунтовые воды не превысит ПДК для водных объектов; допустимую концентрацию, не влияющую на микроорганизмы и процессы самоочищения почвы. Наиболее жесткие из ряда названных показателей принимаются в качестве ПДКп, причем сравнение идет по одноименным показателям вредности, т. е. по сходному действию разных веществ. Таким путем нормируется содержание в почве пестицидов (веществ, применяемых для уничтожения вредителей, возбудителей болезней, сорняков) и ряда химических элементов — преимущественно тяжелых металлов, галогенов (например, хлора), а также микроэлементов. Причем содержание примесей нормируется в зависимости от вида пищевых продуктов, выращиваемых на данной почве или в данном хозяйстве (мясных, молочных, рыбных, растительных). Установлены ПДКп в основном для ядохимикатов, применяемых в защите растений от вредителей, болезней, сорняков (табл. 4.4). Временно допустимые концентрации ВДКп, в отличие от ПДКп, определяются расчетным путем для тех пестицидов, которые разрешены к этим испытаниям или в силу своих химических особенностей не требуют обязательного определения ПДК. Для этого используют уравнения регрессии, полученные эмпирическим путем, которые связывают ПДКп, например, с пре- Таблица 4.4. Нормативы на содержание некоторых пестицидов в почве и ДОК в продуктах питания, мг/кг Наименование Прометрин (арбо- рицид) Хлорамп (арбори- Дид) Хлорофос (инсектицид) Карбофос (инсектицид) Дихлордифенил- трихлорэтан или ДДТ (инсектицид) пдкп 0,5 0,05 0/5 2,0 0,1 док» 0,1-0,25 — 1,0 1,0—3,0 0,5 Наименование Гексахлоран (инсектицид) Гамма-изомер гек сахлорана Полихлорпинен (инсектицид) Полихлоркамфен (инсектицид) Севин (инсектицид) пдкп 1,0 - 1,0 0,5 0,5 0,05 док 1,0 2,0 Не до- допуска- ется 0,1 Не пускается * Допустимое остаточное количество (ДОК) — это максимальное количество вещества, Которое, поступая в организм на протяжении всей жизни, не вызывает никаких нарушений в здоровье детей и взрослых людей (См.: Меры безопасности при работах с пести- Цидами и минеральными удобрениями. М.: Колос, 1975. С. 79). 205
Таблица 4.5. Комплексные гигиенические показатели санитарного состояния почв * Оценка качества почвы Наименование показателей Личинки и куколки мух в 0,25 м3 почвы, экз. Яйца гельминтов в 1 кг почвы, экз. Коли-титр Титр анаэробных бактерий Санитарное число 0 Единично Чистая Слабо загрязненная Загрязненная Сильно за- Более 25 грязненная 10—25 0 1 и более 0,1 и более 0,98—1,0 до 10 1—0,01 0,1-0,001 0,85—0,98 11—100 0,01—0,001 0,001— 0,70—0,80 —0,00001 Более 100 0,001 и 0,00001 и 0,70 и более менее менее 6 с. * См. Оценочные показатели санитарного состояния почвы населенных мест. М., 1977. дельно допустимыми концентрациями в пищевых продуктах: ВДКп = 1,23 + 0,48 lg ПДКпр, D.12) Санитарное состояние почвы оценивается по ряду гигиенических показателей, в том числе по так называемому санитарному числу, т. е. отношению содержания белкового азота к общему органическому. Кроме того, учитывается наличие кишечной палочки (коли-титр), личинок мух, яиц гельминтов. По комплексу этих показателей почва оценивается ка$ чистая или загрязненная (табл. 4.5). Нормативы накопления токсических отходов на территории предприятия устанавливаются на основе совокупности показателей, включающих размеры территории складирования, токсичность и химическую активность соединений, присутствующих в отходах. Для этого также существует ряд формул, хотя принципы такого нормирования и общие подходы к нему могут варьировать в регионах с различными почвенными и климатическими условиями. Обычно нормируются два показателя: предельное количество токсичных промышленных отходов на территории предприятия и предельное содержание токсичных соединений в промышленных отходах. Предельное количество отходов на территории предприятия — это такое их количество, которое можно размещать при условии, что возможное выделение вредных веществ в воздух не превысит 30 % от ПДК в воздухе рабочей зоны предприятия ПДКр.з. При этом вещества, наиболее опасные и даже хранимые в герметизированной таре, а также токсичные отходы очистных сооружений удаляются с территории пред- 206
приятия в течение суток. Твердые сыпучие отходы, хранящиеся в контейнерах, пластиковых пакетах и бумажных мешках, удаляются в течение двух суток. Предельное количество отходов и их судьбу определяют путем замеров содержания токсичных веществ в воздухе (с учетом эффекта суммации), получением средневзвешенной концентрации и делением ее на соответствующее значение ПДК (точнее— 30 % от ПДКр. з). Если отношение >1' DЛЗ) то количество находящихся на территории отходов является предельным и они подлежат немедленному удалению. Предельное содержание токсичных соединений (в г/кг или мг/кг) в отходах определяет класс опасности этих Отходов. Здесь используются сложные многоступенчатые рас- четй, конечной целью которых является установление ПДК токсичных веществ в общей массе отходов. В расчетных формулах используются средняя летальная доза ЛД50, коэффициент растворимости исследуемого вредного компонента, его летучесть и некоторые промежуточные показатели, в частности суммарный индекс опасности всех компонентов в отходах. Контроль загрязнения почв осуществляется преимущественно в условиях населенных пунктов органами санэпидслужбы и включает: предупредительный надзор, заключающийся в апробации генеральной схемы очистки и проектов сооружений по очистке и обезвреживанию твердых промышленных и бытовых отходов, и текущий — с целью обеспечения санитарной охраны почвы, своевременного сбора и удаления промышленных отходов и вторичного сырья. Под контролем санитарной 'службы находится не только сбор, но и транспортировка отходов, согласование мест их захоронения и переработки. Это касается также осадков водоочистных сооружений (скопов, отра- Оотанного активного ила и др.). Кроме того, существует ряд дополнительных показателей санитарного состояния почвы (см. табл. 4.6), определяемых как на территории производственных предприятий, так и населенных пунктов. К ним относятся: санитарно-физико-химические оценки, касающиеся в основном почвенных фильтратов (санитарное число, кислотность, биохимическое потребление кислорода, окисляемость, содержа- йие сульфатов, хлоридов и др.); санитарно-энтомологические оценки — численность синан- тропных (связанных с Зкильем и бытом) насекомых, в первую очередь — мух во всех фазах их развития: взрослые особи, личинки, куколки; 207
Таблица 4.6. Номенклатура показателей санитарного состояния почвы Показатель Характеризуемые свойства ПОЧВЫ Санитарное число Азот аммонийный, мг/кг Азот нитратный, мг/кг Хлориды, мг/кг Пестициды, мг/кг Тяжелые металлы, мг/кг Нефть и нефтепродукты, иг/кг Фенолы летучие, мг/кг Сернистые соединения, мг/кг Канцерогенные вещества, мг/кг Удобрения (остаточные количества), мг/кг рН Радиоактивные вещества, КиЛсг Термофильные бактерии, титр Бактерии группы кишечной палочки, коли-титр Бактерия клостридиум перфигена, титр Патогенные микроорганизмы (по эпидемиологическим показателям), титр Яйца и личинки гельминтов жизнеспособные, экз.Дсг почвы Личинки и куколки синантропных мух, экз./кг почвы Санитарно-химические Санитарно-бактериоло- гические То же Санитарно-гельминто- логические Санитарно-энтомологи- ческие санитарно-гельминтологические оценки, характеризующие наличие в почве в местах, посещаемых населением, гельминтов (червей, паразитирующих в органах человека, животных и растений — цестод, нематод, трематод и др.); санитарно-бактериологические оценки, включая наличие бактерий кишечной группы, а также других микроорганизмов, вызывающих заболевания человека и домашних жцвотных. Вредные вещества могут поступать в продукты питания (и далее—в организм человека) разными путями: из почвы через корневые системы растений, из воздуха — через наземный ассимиляционный аппарат (листья), а также в результате контакта при проведении защитных химических обработок растений против вредителей и заболеваний. Во всех случаях эти вещества далее включаются в пищевые цепи, в конце которых, как мы знаем, и находится человек. Основным ограничительным нормативом является допустимое остаточное количество (ДОК) вредного вещества в продуктах питания или в урожае в период его сбора. ДОК выражается в г или мг на 1 кг кормовых или пищевых продуктов. Следует отметить, что ядохимикаты также имеют всё токсикометрические характеристики, которые мы рассмотре- Нормирование загрязняющих веществ в пищевых продуктах 208
ли выше для атмосферного воздуха и воды, включая предельно допустимые концентрации. Нормирование Растения-фотосинтетики, открывающие пищевые загрязняющих цепи в экосистемах, в не меньшей степени, чем веществ ^ другие живые организмы, чувствительны к при- "а ВастенияВИЮ СУТСТВИЮ в окружающей среде загрязняющих на растения веществ. Много-численные факты снижения продуктивности и гибели древесных, кустарниковых и травянистых растений вследствие загрязнения воздуха, воды, почвы хорошо известны. Поэтому нормирование содержания ксенобиотиков применительно к растениям — важная, хотя и трудная, до конца пока не решенная задача. Трудности заключаются в том, что разные виды совместно произрастающих растений в разной степени (одни — более, другие— менее) устойчивы к одним и тем же веществам. Поэтому в экосистеме диапазон общей устойчивости данного трофического уровня достаточно широк. Во-вторых, устойчивость зависит от условий места обитания, т. е. от режимов экологических факторов (например, увлажнения, освещенности, минерального питания): некоторые из них могут быть лимитирующими или пес- симальными. В-третьих, одно и то же растение (особь) в разной степени устойчиво к тем или иным веществам в разные периоды своего развития: распускания листьев, бутонизации и цветения, созревания семян и т. п. В-четвертых, разные физиологические процессы у растения неодинаково уязвимы для загрязняющих веществ, и необходимо в качестве теста выбирать наиболее демонстративное свойство. Таким наиболее чувствительным к помехам процессом счи- Таблица 4.7. Предельно допустимые концентрации некоторых загрязняющих веществ в атмосферном воздухе для растений По В С. Николаевскому, Т. В. Николаевской, 1988 Наименование загрязняющего вещества Значения предельно допустимых концентраций, мг/м3 Для растений в целом (максимальные разовые) Для древесных пород максимальные разовые среднесуточные Для человека (максимальные разовые) Диоксид серы Оксиды азота Аммиак Бензол Хлор Сероводород Формальдегид Пыль, цемент Метанол 0,02 0,02 0,05 0,1 0,25 0,02 0,02 0,2 0,03 0,04 0,1 0,1 0,025 0,008 0,02 0,2 0.2 0,015 0,02 0,04 0,05 0,015 0,008 0,003 0,05 ОЛ 0,5 0,085 0,2 1,5 0,1 0,008 0,035 0,5 1,0 209
тается фотосинтез, определяющий продукцию экосистемы *. К настоящему времени установлены максимальные разовые и среднесуточные ПДК двенадцати загрязняющих веществ в воздухе для растений, включая древесные (табл. 4.7). Считается, что ПДК должны устанавливаться для тех видов растений, которые обладают наибольшей фотосинтетической активностью, и для тех периодов, когда активность всех физиологических функций растений максимальна. Рекомендуется использовать в качестве тест-объекта травянистые растения, поскольку исследования с ними можно проводить в фитотронах круглогодично. В реальных условиях производства в выбросах Эффект суммации и сбросах предприятий (а значит, в воздухе и по^ноомиоо анииводе) присутствует не одно, а несколько раз- загрязнения * личных загрязняющих веществ. В воздухе населенного пункта, например, могут содержаться вещества от разных предприятий, тепловых станций, транспорта. Многие из этих веществ обладают сходным токсическим действием на организм человека, а значит, в подобных случаях суммарная концентрация таких веществ может превышать предельно допустимую для каждого в отдельности. Кроме того, ряд веществ обладают синэргетическим эффектом, т. е. токсичность одного в присутствии другого усиливается. Это явление называют эффектом суммации вредного воздействия, и его необходимо учитывать при нормировании как содержания, так и поступления загрязняющих веществ в окружающую среду. Эффект суммации проявляют, в частности: фенол и ацетон; валериановая, капроновая и масляная кислоты; озон, диоксид азота и формальдегид. Рассмотрим следующий простой пример. Допустим, что в воздухе одновременно присутствуют фенол и ацетон в концентрациях соответственно 0,009 и 0,345 мг/м3. Соответствующие им ПДК составляют 0,01 и 0,35 мг/м3. Таким образом, каждое из этих веществ присутствует в воздухе в неопасной концентрации— меньшей, чем его. ПДК. Но их суммарная концентрация составляет 0,009 + 0,345 = 0,354 мг/м3, т. е. превышает ПДК для каждого из них в отдельности, а следовательно, и уровень загрязнения воздуха превышает допустимый. Известную нам формулу С ^ ПДК можно записать в иной форме: С/ПДК ^ 1. Понятно, что сколько бы вредных веществ ни присутствовало в воздухе одновременно, последнее условие должно соблюдаться. * Николаевский В. С, Николаевская Т. В. Методика определения предельно допустимых концентраций вредных газов для растительности. М.: Государственный комитет СССР по лесу, 1988. 15 с. 210
Таким образом, качество воздуха будет отвечать установленным нормативам, если: тв^+тт^+^+тщ^1' DЛ4) где Си С2у ..., Сп — концентрации вредных веществ, обладающих эффектом суммации; ПДКь ПДК$, ..., ПДКл — соответствующие им предельно доду- стимые концентрации. Формула D.14) означает, что сумма отношений концентраций вредных веществ, обладающих эффектом суммации, к соответствующим им ПДК не должна превышать единицы. Это же правил© действует для водных объектов, но если в воздухе учитывается сходное токсическое действие разных веществ, то в воде — сходный лимитирующий показатель вредности. Например, органолептическими свойствами обладают инсектицидный препарат антио (ПДК=0,04 мг/л) к дибутиламин (ПДК=1,0 мг/л), неоиногенные поверхностно-активные вещества (ПДК = 0,1 мг/л). При их одновременном присутствии в воде суммарная концентрация может оказаться выше, чем любая из трех названных ПДК, хотя для каждого в отдельности С ^ ПДК. В этих случаях используют ту же формулу D 14), но значения С и С2, ..., Сп и соответствующие им ПДК. характеризуют вещества, обладающие одинаковым лимитирующим показателем вредности. Эффект суммации вредного действия веществ в почве не определяется, но поскольку присутствующие в ней вещества могут проникать в воздушный бассейн и в воду, он учитывается, исходя из значений ПДК для воды и воздуха. Экологические ^ экологических позиций принцип раздельного аспекты нормирования загрязняющих веществ в воздухе раздельного и воде имеет серьезные недостатки. Из рис. 4.1 нормирования и 4.4 можно видеть, что условие С ^ ПДК соблюдается только в определенных местах: для воздуха — в цехе, на территории предприятия или населенного пункта, а в воде — в створе 1 км выше места водопользования в проточных водоемах и в радиусе 1 км от места водопользования — в непроточных. Возникает вопрос о том, каковы же требования к качеству среды вне указанных мест. Ответ состоит в том, что воздух и вода вне этих мест представляют собой зоны рассеивания или разбавления вредных примесей, т. е. здесь допускается сильное загрязнение с многократйым превышением значений ПДК. Очевидно, что такое положение совершенно неприемлемо. Напомним, что, с точки зрения экологии, акцепторами и зо- йой рассеивания примесей являются экосистемы. Следовательно, в створе водопользования и вне его водная экосистема едина и она так или иначе разрушается, даже если в кон- 211
трольной точке или створе загрязняющие вещества разбавляются до ПДК. Подобный подход к нормированию загрязняющих веществ обрекает экосистемы на снижение продукции или распад, обеспечивая не охрану природы, а лишь сохранение отдельных характеристик в непосредственно окружающей человека среде. При этом учитывается возможность отрицательного воздействия какого-либо вещества непосредственно на организм человека, но не на экосистемы в целом, хотя в некоторых случаях нормативные документы и оговаривают соответствующие условия. Например, присутствие фенолов, ионов металлов, некоторых других химических веществ и соединений даже в пределах ПДК может отрицательно сказываться на планктоне, бентосе, изменять физико-химические свойства воды. С точки зрения качества для человека такая вода может и не представлять опасности, но может нарушить пищевые цепи, подавив отдельные звенья пищевых цепей, микроорганизмы-деструкторы, что может иметь разрушительные последствия для экосистемы в целом. Поэтому, с одной стороны, при нормировании содержания примесей следует учитывать так называемую ассимиляционную способность экосистемы, а с другой — не ограничиваться формальным соблюдением нормативов на сбросы и выбросы. Важным условием нормирования содержания загрязняющих веществ в природной среде является экологическая д и ф ф е - рейциация нормативов ПДК. Говоря выше о задачах токсикологии, мы указали, что восприимчивость организма к воздействию загрязняющих веществ может увеличиваться, а устойчивость к ним—снижаться, если организм находится под одновременным воздействием других экологических (например, физических) факторов, режимы которых близки к пределам толерантности или выходят за эти пределы. В токсикологии учет такого совместного воздействия факторов считается необходимым, хотя в практике санитарно-гигиенического нормирования это не применяется: используются единые нормативы ПДК. Но территория государства включает в себя географические зоны с совершенно различными, а в ряде случаев — экстремальными климатическими условиями — от северной тундры до жарких пустынь, где люди должны жить и работать. В подобных условиях норма реакции у отдельных групп людей на вредные химические соединения может сдвигаться в сторону меньшей устойчивости. Поэтому необходимо установление зональных ПДК, а при невозможности выдержать их по технологическим или иным условиям производства необходимы дополнительные меры по обеспечению экологической безопасности и сохранению здоровья населения. 212
4.4. РЕГЛАМЕНТАЦИЯ ПОСТУПЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ Основные В предыдущих разделах мы уже встречались термины с такими понятиями как сброс, выброс, источ- и понятия ник^ понимая под ними некоторые конкретные величины или объекты. По сути же дела сброс и выброс — это процессы поступления.загрязняющих веществ в природную среду, но в специальной литературе они, как правило, отождествляются с выбрасываемыми веществами или сточными водамиг. Обычно не говорят «источник вредного вещества», а используют словосочетание «источник выброса» или «источник сброса», хотя слова «сброс» или «выброс» подразумевают вопрос: «чего?». Вместе с тем, поступающие с выбросами и сбросами вредные загрязняющие вещества, как и их источники (т. е. источники загрязнения), обладают определенными физическими и техническими параметрами, которые учитываются при расчетах нормативных выбросов и сбросов. Обычно источником загрязнения атмосферы называется технологический агрегат, выделяющий в атмосферу в процессе эксплуатации вредные вещества. Но в практической охране окружающей среды на предприятиях часто разделяют три понятия: источник загрязнения — предприятие, производство, технологический процесс; источник выделения вредных веществ — оборудование, котел, агрегат, станок, рабочее место; источник выброса — труба, шахта, аэра- ционный фонарь, свалка (куча) и т. п. Существуют классификации как выбросов и сбросов, так и их источников. Например, источники выбросов вредных веществ в атмосферу (мы будем их называть источниками загрязнения) классифицируются по высоте (табл. 4.8). Кроме того, различают точечные источники (трубы) и линейные (аэрационные фонари на зданиях или близко расположенные трубы одного класса высоты). Основным компонентом' промышленного выброса в атмосферу является отходящее вредное вещество, под которым понимают вредное вещество, содержащееся в газовом потоке, отходящем от промышленного источника. Отходящие вредные вещества (или выбросы) классифицируются: по организации отвода и контроля — на организованные и неорганизованные; по режиму осуществления — на непрерывные и периодические; по температуре — на нагретые (температура пылегазовых смесей в которых выше температуры наружного воздуха) и холодные; 213
Таблица 4.8. Классификация источников загрязнения по ОНД—86* I- II- III- IV- дика Класс — высокие - средней высоты - низкие - наземные Высота устья земли Более 50 м 10.. .20 2...10 Менее 2 * ОНД-86 — Общесоюзный нормативный расчета концентраций выбросах предприятий. в атмосферном над уровнем Я, м Виды источников Трубы ТЭЦ, предприятий и др. Трубы, аэрационные фонари зданий, вентиляционные устройства То же Горящие и гниющие свалки, работающие двигатели и иное технологическое оборудование документ Госкомгидромета 1986 года: Мето- воздухе вредных веществ, содержащихся в с учетом сферы образования — на образующиеся в основном, вспомогательном и подсобном производстве; по признакам очистки — на выбрасываемые без очистки (организованные и неорганизованные) и после очистки (организованные); по химическому составу и размерам (дисперсности) частиц. Организованный промышленный выброс — это выброс, поступающий в атмосферу через специальна сооруженные газоходы, воздуховоды, трубы. Неорганизованный промышленный выброс — это выброс, поступающий в атмосферу в виде ненаправленных потоков газа в результате нарушения герметичности оборудования, отсутствия или неудовлетворительной работы оборудования по отсосу газа в местах загрузки, выгрузки и хранения продукта. Технологический выброс вредных веществ — это количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу основным производством предприятия, т. е. той частью производственного процесса, в ходе которого основные материалы превращаются в готовую продукцию, занимающую преобладающее место в общем выпуске. Кроме того, используется такой показатель, как отчетно- статистический (фактический) удельный выброс, т. е. фактический удельный (на единицу выпускаемой продукции) выброс вредного вещества на действующем предприятии. Сточные воды, содержащие растворенные и взвешенные вещества, отходящие в водные объекты, рассматриваются как сбросы. Сбросы разделяются на неорганизованные, если они стекают в водный объект непосредственно с территории про- 214
Мышленного или сельскохозяйственного предприятия, не оборудованного специальной например ливневой, канализацией или иными устройствами для сбора, а также на организован н ы е, если они отводятся через специально сооруженные источники, т. е. выпуски (или водовыпуски) различной конструкции. Выпуски классифицируются по следующим признакам: по типу водоема или водотока, в который поступают сточные воды: на речные, озерные, морские; по месту расположения выпуска: береговые (размещенные в пределах береговой полосы, в частности в набережных), русловые (в виде трубопроводов, выводимых в русло реки для наилучшего и быстрого смешения сточной воды с природной на кратчайшем расстоянии от выпуска), глубинные (до глубины более 30—40 м — обычно в непроточные водоемы на некотором расстоянии от берега) и глубоководные (на глубину более 40 м); по конструкции распределительной части: сосредоточенные, рассеивающие и рассредоточенные (так, рассеивающий выпуск— это трубопровод-распределитель постоянного сечения с одинаковыми оголовками, расположенными на равных расстояниях друг от друга); по типу оголовка (т. е. по конструкции сбросного устройства) : отверстия или щели в теле трубы, разного рода цилиндрические насадки с отражателями, конфузорами, имеющие целью более интенсивное смешение сточных вод с водами водного объекта. u Конечной целью природоохранных мероприятий и принципы является обеспечение такого содержания вредных веществ в воздухе, воде или почве, которое не окажет вредного воздействия ни на качество окружающей среды, ни на здоровье населения. Вполне понятно, что уровень загрязненности окружающей среды будет зависеть от природо- ¦> охранной работы предприятия. Отсюда его задачи и сводятся к определенным ограничениям содержания загрязняющих веществ в сбросах или выбросах. В мировой практике существуют два принципиально различных подхода к решению данной задачи. Первый принцип, практикуемый в ряде стран Запада, состоит в том, чтобы вредные вещества, поступающие от предприятий в окружающую среду, не оказывали отрицательного влияния на природные экосистемы в целом. Критерием здесь считается ассимиляционный потенциал территории, показывающий какое количество вредных веществ может без ущерба для своего состояния ассимилировать та Или иная территория (достаточно большая—область, регион, штат и т. п.). Практически это означает определение суммарно- 215
го количества вредных веществ, которое без ущерба для себя может воспринять, например, водный бассейн той или иной территории или ее атмосферный воздух, обеспечив соответствующее рассеивание примесей до неопасных концентраций. Методика определения ассимиляционного потенциала достаточно сложна, требует разнообразных экспертных оценок. После того как суммарные объемы вредных веществ, которые могут быть ассимилированы, обезврежены или рассеяны в природных экосистемах данной территориальной единицы, промышленным предприятиям устанавливаются предельные нормы (квоты) на выбросы и сбросы вредных веществ в течение определенного периода (сезона, года). Понятно, что при этом учитываются технические возможности предприятий, причем некоторым из них выброс или сброс тех или иных вредных веществ в природную среду может быть просто запрещен. Естественно, что при этом учитываются и санитарные требования, т. е. необходимость соблюдения нормативов содержания вредных веществ в окружающей среде. Квота на сброс или выброс тому или иному предприятию может быть увеличена, но только за счет ужесточений в отношении другого предприятия, ибо сумма всех квот не должна превышать общий сброс или выброс вредных веществ для данной территориальной единицы. Другой принцип, практикуемый, в частности, в России, состоит в том, что приоритетным условием является соблюдение санитарно-гигиенических нормативов, т. е. уже известного нам неравенства С ^ ПДК. При этом соблюдение этого условия не касается самого предприятия, но с другой стороны, именно предприятие должно это условие обеспечить. На первый взгляд, последняя формулировка явно противоречива, хотя фактически противоречия в ней нет. Обеспечить поступление загрязняющих веществ в окружающую среду на уровне ПДК предприятия не могут прежде всего по экономическим (например, очистка может оказаться значительно дороже основного производства) и по техническим причинам. Отсюда следует, что предприятие должно обеспечить такое поступление загрязняющих веществ в природную среду, т. е. такие выбросы и сбросы, при которых эти вещества смогут рассеяться до неопасных концентраций (ПДК) в определенных местах. Обратимся к рис. 4.7. На нем показан условный одиночный источник выброса условного загрязняющего вещества (труба), который расположен на некотором расстоянии х от границы жилого массива. Концентрация вредного вещества на выходе из трубы (в пылегазовой смеси) выше ПДК. Но непосредственно у трубы в приземном слое воздуха (если источник достаточно высокий) концентрация примеси будет незначительной, ибо по- 216
Ветер лдк \-- •«Опасная зона* Опасная зона 11 JPa.ccmof мае х,к Рис. 4.7. Схема вариантов рассеивания примесей ъ воздухе, поясняющая расчет предельно допустимых выбросов следняя относится воздушным потоком. По мере удаления от источника (с увеличением х) примесь будет постепенно накапливаться в воздухе (накопление опережает рассеивание) и ее концентрация будет расти, достигая максимального значения (См) на расстоянии, которое обозначают #м. При этом в большинстве случаев СМ»ПДК. Далее благодаря диффузионным процессам и турбулентности воздуха рассеивание начинает опережать накопление, и концентрация примеси постепенно снижается. На рисунке место расположения источника (х=0) совмещено с началом координат, а по ординате откладывается концентрация примеси. Левая кривая на рисунке характеризует рассеивание, при котором концентрация достигла максимума, не доходя до зоны жилой застройки или населенного пункта. Но возможен случай, когда опасная зона с См > > ПДК «накрывает» населенный пункт (правая кривая). Аналогичная ситуация показана для водного объекта на рис. 4.4. И здесь условие С ^ ПДК требуется соблюсти в створе в 1 км перед пунктом водопользования, а между ним и створом сброса сточных вод расположена зона рассеивания (разбавления) вредного вещества, концентрация которого в сточной воде выш^ ПДК, причем, дойдя до контрольного створа, примесь может и не рассеяться до неопасной концентрации. Но как бы то ни было, условие С ^ ПДК должно быть соблюдено. Как этого достигнуть? Рассеивание примесей в окружающей среде зависит от многих факторов, на которые человек не может влиять. Невозможно, например, управлять процессами перемещения воздушных 217
масс, скоростью течения воды, расстоянием между створами сброса (выброса) и контрольными створами (точками), т. е» зонами жилой застройки или местами водопользования. Поэтому обеспечить в установленном створе или зоне условие С ^ ^ ПДК можно следующим образом: для действующего предприятия (если его нельзя закрыть или перепрофилировать)—обеспечить такое содержание вредных веществ в стоках или пылегазовых выбросах, при котором они гарантированно рассеятся до неопасных концентраций в установленном месте; для проектируемого предприятия — предусмотреть те же условия в проектной документации или определить минимальное расстояние рассеивания примесей между предприятием и местом водопользования или населенным пунктом. Иначе говоря, предприятие обязано обеспечить такие выбросы и сбросы, при которых в любых условиях окружающей среды будет достигнуто требуемое рассеивание примесей до неопасных концентраций. Понятно, что критерием для установления этих нормативов являются предельно допустимые концентрации, а сами нормативы называются предельно допустимыми выбросами (в воздушную среду) ПДВ или предельно допустимыми сбросами (в водные экосистемы или в «водные объекты») ПДС. Обеспечение этих нормативов для каждого источника выбросов и каждого отдельного вещества (с учетом эффекта сум- мации) и является конкретной задачей предприятия. Решается она с помощью инженерно-технических или организационных мероприятий. Таким образом, если ПДК (ВДК) являются нормативами на содержание загрязняющих веществ в природной среде, то ПДВ и ПДС — нормативами на их поступление, но при этом ПДВ (ПДС) является функцией от ПДК. Значения ПДВ и ПДС — расчетные величины, определяемые при помощи специальных формул или при помощи специальных программ с использованием ЭВМ. Каждое предприятие должно иметь согласованный с местным органом перечень (том) предельно допустимых выбросов и сбросов. Превышение этих значений ведет к резкому увеличению размера платы предприятия за разбавление веществ в окружающей среде, что рассматривается как природопользование. Санитарная охрана почвы достигается иными способами — в основном с помощью соблюдения правил применения ядохимикатов или эвакуации и захоронения вредных веществ. Кроме непосредственно экологических целей, введение нормирования содержания вредных веществ в выбросах и в сбросах промышленных предприятий преследует и иные цели: 218
устанавливать лимиты на выбросы и сбросы не только для отдельных предприятий, но и для отдельных (значимых по вкладу) источников; создавать нормативы, которые можно было бы ориентировать не только на конкретную технологию, но и на ее уровень на новых и стар