Параграф 9.2

Особливості водних екосистем. Основні види забруднення природних вод. Наслідки забруднення природних вод. Сучасний стан грунтового покрову. Забруднення й руйнування грунтів. Охорона грунтів.

Для вірного розуміння процесів, що здійсюються при забруденні прісноводних водоймищ, необхідно зупинитися на особливостях цих природних систем. Вони складаються з трьох основних компонентів.

1.Біотичний компонент. Рівень рослин вміщує планктонні водорості і вищі рослини, які є харчем для рослинноядних тварин, в першу чергу, зоопланктону, молюскам та рослинноядним рибам. Ці тварини є, в свою чергу,харчем для хижаків (риб, жуків-плавунців, тощо), частина яких попадає у харч хижакам більш високого рангу, що закінчують харчовий ланцюг, наприклад, таких як щука.

2.Одним з найважливіших елементів водних екосистем є донні відкладення, які є акумулятором різноманітних речовин як органічного, так і неорганічного характеру, що висаджуються з товщі води. Перші складаються переважно з клітин планктону, решток водоростей, тоді як другі – це продукти вивітрювання гідроксида заліза, диоксиду кремнію, вапняка. До неорганічних складових належать малорозчинені сполуки важких металів. Організми, що мешкають на дні водоймищ, беруть активну участь у мінералізації мертвої органіки, а завершують цей цикл бактерії.

3. Сама товща води. Поверхневі водоймищавиступають як відкриті екосистеми, які здатні до обміну речовиною з близько розташованими середовищами. Одною з головних їх особливостей є те, що життєві процеси в водному середовищі здійснюються на фоні малого вмісту кисню, джерелом якого є фотосинтетична активність водоростей та атмосферне повітря. Кисень, як і інші атмосферні гази, присутній в водному середовищі в розчиненому стані. Газообмін крізь поверхневу плівку і перемішування сприяють його проникненню у весь об’єм води. З повітря насичується киснем поверхневий шар води. Розчиненість кисню залежить від температури. В літні теплі часи недостатня розчиненість кисню компенсується підвищенням фотосинтетичної активності. Звичний вімст кисню для нормального функціонування водних екосистем – 6-12 мг/л. Крім температури на розчиненість кисню в воді впливає вміст солей в ній. Зростання концентрації солей у воді знижує розчиненість кисню.

Для водних екосистем(056) вміст розчиненого кисню часто слугує лімітуючим фактором. Наприклад, влітку висока температура води і зменешення її загальної кількості в водоймищі можуть ускладнити існування водних тварин внаслідок зниження кисню. Низький його вміст небезпечний для водних організмів ще й тому, що для задовільнення потреб в тих чи інших сполуках, в тому числі й у кисні, водні тварини потребують інтенсивної циркуляції води крізь зябри, що забезпечує контакт із зябрами величезній її кількості. Проте, завдяки цій обставині зростає ризик поглинання зябрами токсичних сполук.

Кількість вуглекислоти, що перебуває в водному середовищі, також є суттєвим фактором, що визначає життєдіяльність водних екосистем, тому що вона бере активну участь в процесі фотосинтезу і підтримуванні рН середовища, а також приймає участь у біологічному кругообігові речовин. На відміну від кисню розчиненість вуглекислого газу в воді носить хімічний характер.

СО₂ + Н₂О Н₂СО₃

Н₂СО₃ Н⁺ + НСО₃^-

НСО₃^- Н⁺ + СО₃^-

Розподіл форм вуглекислоти у воді залежить від рН. В природних системах з рН = 7-8,5 в воді переважає НСО₃^- (біля 80%), що найбіль легко засвоюється гідробіонтами. При 25^о в воді перебуває 0,5 мг/л вуглексилоти, а при 0^о – 1,1 мг/л.

Водне середовище, окрім кисню і вуглекислоти. вміщує ще велику кількість різноманітних сполук, що перебувають в її товщі у розчиненому, завислому або сорбованому(сорбція) стані. Багато з них є необхідними для життєдіяльності. В воду ці елементи надходять з підстилаючих порід в процесі вилужування, тому що земна кора виступає в якості вихідного середовища, що постачає потоки різноманітних речовин у біосферу.

Отже, загальна мінералізація та хімічний склад прісних вод залежать від конкретних умов. Проте, існують усереднені оцінки стосовно таких систем в глобальному масштабі. Відповідно з ними середня мінералізація річкової води складає 120 мг/л, а середня концентрація деяких елементів, мкг/л, складає: Fe – 90; Zn – 20; Cu – 7; As – 2; Pb – 1; Cd – 0,2; Hg – 0,07. Ці оцінки належать до розчинених форм, тоді як значно більші кількості різних елементів присутні у завислих частинках, іноді до 98% відносно до загальної кількості. Ця обставина сприяє нагромадженню в донних відкладеннях завислих частинок і малорозчинених сполук. В силу цього концентрація токсичних речовин в донних опадах перевищує такову в товщі води, а активна діяльність гідробіонтів часто сприяє перетворенню забруднень, а саме, концентруванню в різних організмах, переводу з менш токсичної у більш токсичну форму.

Багато мікробів, що мешкають у донних відкладеннях, здатні хімічно змінювати неорганічні або органічні сполуки металів, посилюючи їх міграцію в навколишнє середовище(093) і шкідливу дію.

Так, ртуть перетворюється в метил-, а потім в диметилртуть:

Hg⁰ Hg²⁺ (CH₃)₂Hg

CH₃Hg⁺

Це сильніші отрути, які легко проходять крізь біологічні мембрани, утримуються міцно у тканиннах і пагано виводяться. Диметилртуть летюча і після відмирання мікробів надходить у атмосферу.

Такому біометилюванню піддаються й інші метали – Cd, Se, Pb, Sn, Tl,Te,Au. В повітрі під дією УФ випромінювання ці сполуки розкладаються і випадають знов на землю у вигляді ртутних, свинцевих та інших дощів і знов надходять у кругообіг.За підрахунками, щорічно з дощами випадє 100 тис. т Hg, тобто, в 15-20 разів більше, ніж видобувається.

Шкідливо для водних організмів і надходження малих кількостей токсичних речовин, які здатні нагромаджуватися в ланцюгах харчування. Так, концентрація радиоактивних ізотопів досягає іноді дуже великих кількостей. Тобто, суть проблеми полягає не в кількості речовин, що надходять у середовище, а у шляхах нагромадження. Так, в Америці в одну з річок в невеликих кількостях викидали різні сполуки металів та спостерігали за їх рухом за ланцюгами харчування. В яйцях качок та гусаків їх нагромаджувалося в 200000 разів більше ніж у воді, в залозах зайця цих елементів було у 500 разів більше, що все смертельно.

Слід мати на увазі той факт, що форми існування металів у воді в значній мірі визначають їх поведінку. Важливу роль при цьому відіграють процеси утворення важкорозчинених сполукз різними компонентами водного середовища та їх седиментація, участь в реакціях утворення комплексів з різними органічними речовиами, сорбція завислими частинками, тощо.

Кольорові метали в водних середовищах можуть приймати участь в реакціях утворення малорозчинних сполук, що переводить основну їх масу в колоїдну форму і донні відкладення. Участь металів в процесах комплексоутворення важлива ще й тому, що часто воно обумовлює зниження їх токсичності у відношенні до гідробіонтів, тому що токсичною формою металів є їх вільні іони. Отже, в цьому випадкові сумарна концентрація буде великою, але концентрація суто токсичної форми – малою.

У багатьох промислово розвинутих країнах дуже розповсюджено забруднення водоймищ нафтою та нафтопродуктами. Тонка плівка нафти покриває 1/5 поверхні Світового океану. Її плівка дуже стійка, вона порушує водо- та газообмін між океаном і атмосферою, пригнічує процеси фотосинтезу, змінює світовий і температурний режим поверхневого шару води. Багато ароматичних речовин, що містяться у нафті, в морській воді перетворюються на отруйні сполуки, що мають канцерогенну дію. Так, під дією деяких морських рослин з ароматичних вуглеводнів нафти утворюються конденсовані поліциклічні вуглеводні ряду бензпірену:

Вони нагромаджуються у морських водоростях та травах, мігруючи за трофічними ланцюгами.

Ще більш небезпечні нафтопродукти для підземних вод. З-за низької температури, відсутності достатньої кількості кисню підземні води неспроможні швидко самоочищуватися шляхом бактеріального розкладення і біохімічного окислення. Для відновлення їх потрібно кілька сторіч. З-за добрив, що змиваються в річки, зростає загальна мінералізація води. Токсичні речовини в значній кількості надходять в водні об’єкти із стічними водами промислових підприємств. Так, із стічними водами коксохімзаводів в поверхневі води надходить фенол. Якщо піддати воду, що вміщує фенол, хлоруванню, то утворюються значно більш токсичні порівняно з самим фенолом речовини.

Одним з основних видів забруднювачів поверхневих вод є завислі речовини, з ними переважно й зв’язані екологічні ефекти. Так, процеси висадження завислих частинок призводять до заілювання організмів, що мешкають в донних відкладеннях, а також місць нересту. Іншим екологічним ефектом, який викликають завислі частники, є сумісне осадження з ними планктону. Спостерігають читкий зв’язок між кількістю завислих частинок та кількістю фітопланктону у воді. Кількість зоопланктону також сильно залежить від завислих частинок, тому що значна частина його наведена організмами з фільтраційним апаратом харчування. Риби також відчувають активну дію завислих частинок внаслідок навантаження на зябри і кишківник.

Велике антропогенне навантаження відчуває й така складова частина біосфери як грунт. Грунт – це особливе природне утворення, що має комплекс властивостей, що належать як живій, так і неживій природі воно сформувалося внаслідок тривалого перетворення поверхневих шарів літосфери під сумарною дією гідросфери, атмосфери і живих організмів. загальний запас грунтів на Землі 2,4х10¹² т або 13392 млн га, тобто приблизно чверть поверхні. В загальній площі продуктивних грунтів(8608млн га) приблизно половина – сільскькогосподарські грунти(4553млн га) і ліси та чагарники (4055 млн га). Площа грунтів, що оброблюються – 1507 млн га або 11,2% від всього грунтового фонду (3% поверхні Землі). Грунт є унікальним середовищем, що має таку властивість,як родючисть і забезпечує основні потреби людини в їжі. Слід підкреслити і особливу роль грунту як компоненту екосистеми(056), де здійснюється переробка мертвої органіки, її мінералізація. Проте, крім цих двох найголовніших функцій грунт виконує ще багато екологічних функцій:

-житло для тварин, що мешкають у грунті;

-механічна опора для рослин і тварин;

-депозит насіння, де воно може зберігатися довгі роки;

-трансформатор поверхневих вод в грунтові;

-постачальник цінних харчових речовин для водних екосистем, що вимиваються з грунту потоками.

Спеціальний аналіз чинників антропогенного руйнування і деградації грунтів показав, що для них характерні численність та агресивність. Їх можна розділити на кілька категорій:

-відвод грунтів під промислові та побутові об’єкти;

-прокаладання та експлуатація шляхів та трубопроводів;

-видобування корисних копалин;

-промислові та побутові відходи;

-будівництво водосховищ;

-будівництво гідромеліоративних споруд;

-аварії на промислових об’єктах.

Одним з найпервіших ворогів грунтів є ерозія. Під ерозією розуміють явище руйнуванняі зносу грунтів потоками води та вітру. Розрізняють водну та вітрову ерозію (дефляцію). Ерозія була відома ще задовго до появи людини. Під дією руху льодовиків, течії вод, коливань температури здійснювалося переміщення крихких порід, формування долин річок, така ерозія є нормальною або геологічною. Інтенсивність геологічної ерозії визначають ритми екзогенних процесів. Наприклад, у післяльодивиковий період, коли поверхневий стік зменшився, крихкі породи знов вкривалися рослинністю, а ерозійні процеси уповільнювалися.

на відміну від геологічної сучасна ерозія зв’язана з діяльністю людини. Грунтова ерозія така ж стара, як і землеробство. Вона почалася, коли перша злива впала на прешу борозну, що створило первісне орало. Якщо геологічна ерозія триває віки, то антропогенна – роки. Основна причина ерозії – знищення рослинного покрову. В усьому світі від ерозії страждає 70-80% сільськогосподарських ланів. Втрати врожаю від ерозії дуже помітні. Так, врожай на слабозмитих грунтах складає70%, а на підданих ерозії – 40%. Але ерозія має ще більші наслідки:

-ушкодження ланів, лісів, шляхів;

-посилення засух;

-погіршення водопостачання;

-глобальне погіршення життя грунтових мікроорганізмів;

зменшення життєвого простору;

-зменшення внеску грунту в біологічний кругообіг, зростання внеску в геологічний кругообіг;

-послаблення функції грунтово-рослинного покрову зв’язувати атмосферні гази (N₂, СО₂);

-порушення акумуляції сонячної енергії і надсилання її в більш глибокі шари земної кори в місцях формування потужних опадових порід.

Але з кожним роком все більшу небезпеку для грунтового покрову всього світу створює промислова діяльність людини. Промислова ерозія в найбільшій мірі виявляє себе в місцях залягання корисних копалин, які вже видобуваються. Видобування корисних копалин, особливо відкритим способом, призводить до порушення не тільки грунтового покрову, але й ландшафту загалом. Підземне видобування корисних копалин також веде до порушення ландшафту за рахунок утворення теріконів. Електростанції, що працюють на твердому паливі, підприємства, що перероблюють мінеральну сировину, теж відповідальні за руйнування грунтів, тому що в них є необхідність розміщення відходів. Значне руйнування грунтів викликають кар’єри, де видобувається дорожні та будівельні матеріали.

Осовною формою відновлення грунтів, підданих промисловій ерозії є їх рекультивація.

Рекультивація – це система заходів відновлення зруйнованих грунтів.

Рекультивація здійснюється в три етапи:

-підготовчий – обслідування теріторії, вибір напрямків рекультивації(062), проектування;

-горно-технічний – розрівнювання відвалів, засипання кар’єрів;

-біологічний – спрямований на відновлення родючості підготований в процесі горно-технічного етапу грунтів і перетворення їх в повноцінні господарчи та лісові ділянки.

Ще більшу шкоду грунту завдає його хімічне забруднення. Небезпека хімічного забруднення(063) грунтів витікає з забруднення пестицидами. Пестициди захищають корисні рослини, зберігають великі об’єми продукції Але все більше й більше у всьому світі говорять про небезпеку таких хімічих засобів боротьби з шкідниками рослин, тому що вони нагромаджуються в ландшафтах, ушкоджують рослинні угрупування, за харчовими ланцюгами надходять в організм людини і викликають порушення, які можуть передаватися нащадкам. При вивченні хіміко-генетичних властивостей пестицидів було встановлено, що 1/3 них викликає мутації, при цьому серед них є речовини, мутагенна дія яких перевищує таку дію іонізуючої радиації.
Одна з основних умов охорони грунтів від забруднення пестицидами – створення та використання менш токсичних речовин, які до того ж швидше розкладаються, а також зменшення їх внесення в грунти. Існує кілька способів зменшити дозу без втрати ефективності:

-сполучення використання пестицидів з іншими заходами – агротехнічними, біологічними;

-змінити форму внесення – замінити порошки аерозолями;

-зменшення повітряного і зростання наземного внесення;

-зменшення використання стійких препаратів;

-використання пестицидів з різним типом дії – це дозволяє перешкодити адаптації шкідників і зростанню дозування;

-контроль технології – вірне транспортування.

Велику шкоду грунтам заподіює використання добрив. Добрива необхідні, вони підвищують врожаї, поповнюють ті втрати, що ми створюємо грунтам вивезенням врожаю з ланів. Проте, користуватися ними треба раціонально, в іншому випадку рештки добрив, що залишилися невикористаними рослинами, будуть мігрувати за харчовими ланцюгами. особливо гостро стоїть питания із сполуками азоту. Для формування врожаю потрібно 200-300кг азоту на 1 га. Азот нагромаджується в листі, стебліх та насінні і виноситься з ланів. Вміст його в грунті зменшується і треба його поповнювати. Надлишок азоту нагромаджується в грунті в нітратній формі, яка не сорбується і легко вимивається, внаслідок чого підвищується його вміст в природних водах.

Промислова діяльність людини викликала сукупність геохімічних процесів, одним з яких є збагачення поверхні планети металами і, особливо, залізом, нікелем і калієм, як показав аналіз. В грунті такі метали зв’язуються в міцні комплекси з гуміновими кислотами і грунт втрачає активність. До елементів критичної групи належать Hg; Pb; Cd.

Існує кілька джерел забруднення грунтів важкими металами:

-відходи металооброблюючої промисловості;

-промислові викиди;

-продукти згоряння палива;

автомобільні вихлопи.

Характер розташування важких металів на поверхні грунтів залежить від джерела забруднення, метеорологічних особливостей регіону, геохімічних факторів та ландшафтних обставин.

Джерело забруднення визначає якість і кількість продукту, що викидається. При цьому ступінь його розсіювання залежить від висоти викиду. Зона максимального забруднення розповсюджується на відстань, що дорівнює 10-40 кратній висоті труби при високому горячому викиді і і 5-10 кратній висоті – при низькому холодному викиді. Тривалість перебування частинок у повітрі залежить від їх маси. Повітряні потоки переносять тверді частинки викиду на відстані, що залежать від напрямку вітру. Чим більше відстань, на яку уноситься викид, тим менше його концентрація, а це, в свою чергу залежить від швидкості вітру. Вологість повітря негативно впливає на викид – вона локалізує його внаслідок злипання частинок і зростання їх маси. Важкі метали в меншому ступені нагромаджуються у високих частинах рельєфу з-за стікання іх в низину, де вони й концентруються. Геохімічні властивості ландшафту теж сильно впливають на забруднення грунтів. Елементи, що надходять з викидами, нагромаджуються в ландшафті або розсіюються залежно від характеру геохімічних бар’єрів, характерних для місцевості. В основу класифікації бар’єрів покладені види міграції елементів:

-біогеохімічний бар’єр – для всіх елементів, що всотуються і перерозподіляються живими організмами;

-фізико-хімічні бар’єри – наприклад, в кислому грунті важкі метали розповсюджуються сильніше, ніж в лужних внаслідок більшої розчиненості;

-механічні бар’єри – типи грунтів або порід, які затримують рух елементів, наприклад, скальні породи;

-техногенні бар’єри – штучні перешкоди, створені людиною.

Захист грунтів від забруднення важкими металами базується на:

-вдосконаленні виробництва, наприклад, для виробництва 1 т С1₂ витрачається згідно з одною технологією 45 кг Hg, а згідно з другою – 14-18кг;

-використанні мікроорганізмів для концентрування металів;

-створенні безвідходного виробництва;

-використанні інактиваторів важких металів, наприклад, іонообмінних смол.

Нині настав час серйозного переосмислення людством ставлення до природи, час об’єднання зусиль націй і народів у боротьбі за врятування біосфери планети, здійснення нових локальних, регіональних і міжнародних програм подальшого розвитку і виживання, які повинні базуватися на нових соціально-політичних засадах, екологічній основі, глибоких екологічних знаннях і підвищеній загальнолюдській екологічній свідомості.

Питання для самоконтролю.

Питання 9.6.

Чи можна сказати, що єдиним джерелом кисню в водних екосистемах є фотосинтетична діяльність рослин?

Так.

Ні.

Питання 9.7.

Чи можна сказати. що розчиненість вуглекислоти у воді носить хімічний характер?

Так.

Ні.

Питання 9.8.

Чи можна сказати. що мешканці водних екосистем – гідробіонти – сприяють підвищенню токсичності елементів в середовищі.

Так.

Ні.

Питання 9.9.

Чи можна сказати, що ерозія грунтів відбувається тільки внаслідок діяльності людини?

Так.

Ні.

Питання 9.10.

Чи впливають геохімічні властивості грунтів на розповсюдження в них забруднень?

Так.

Ні.