Биологический круговорот

Рис.1. Движение пестицидов в биосфере. Значительная часть пестицидов не достигает обрабатываемой территории, сносится и оседает в более или менее удаленных экосистемах (по Rudd, 1971; с изменениями)

Пестициды способны проникать в растения из загрязнен­ной почвы через корневую систему, накапливаться в биомас­се и впоследствии заражать пищевую цепь. При распылении пестицидов наблюдается значительная интоксикация птиц (орнитофауны). Особенно страдают популяции певчих и пере­летных дроздов, жаворонков и других воробьиных.

Работами отечественных и зарубежных исследователей не­опровержимо доказано, что загрязнение почв пестицидами вы­зывает не только интоксикацию человека и большого числа видов животных, но и ведет к существенному нарушению вос­производящих функций и, как следствие, к тяжелым демо-экологическим последствиям. С длительным применением пестицидов связывают также развитие резистентных (устой­чивых) рас вредителей и появление новых вредных организ­мов, естественные враги которых были уничтожены.

Почвы загрязняются и минеральными удобрениями, если их используют в неумеренных количествах, теряют при про­изводстве, транспортировке и хранении. Из азотных, супер­фосфатных и других типов удобрений в почву в больших ко­личествах мигрируют нитраты, сульфаты, хлориды и другие соединения. Б. Коммонер (1970) установил, что при самых благоприятных условиях из всего количества азотных удобре­ний, применяемых в США, поглощается растениями 80%, а в среднем по стране лишь 50%. Это приводит к нарушению био­геохимического круговорота азота, фосфора и некоторых дру­гих элементов. Экологические последствия такого нарушения в наибольшей степени проявляются в водной среде, в частно­сти при формировании эвтрофии, которая возникает при смыве с почв избыточного количества азота, фосфора и других эле­ментов.

В последнее время выявлен еще один неблагоприятный аспект неумеренного потребления минеральных удобрений, и в первую очередь нитратов. Оказалось, что большое коли­чество нитратов снижает содержание кислорода в почве, а это способствует повышенному выделению в атмосферу двух «парниковых» газов — закиси азота и метана. Нитраты опас­ны и для человека. Так, при поступлении нитратов в челове­ческий организм в концентрации свыше 50 мг/л отмечается их прямое общетоксическое воздействие, в частности воз­никновение метгемоглобинемии вследствие биологических превращений нитратов в нитриты и другие токсичные соеди­нения азота. Неумеренное потребление минеральных удоб­рений вызывает в ряде районов и нежелательное подкисле-ние почв.

К интенсивному загрязнению почв приводят отходы и от­бросы производства. В нашей стране ежегодно образуется свы­ше миллиарда тонн промышленных отходов, из них более 50 млн т особо токсичных. Огромные площади земель заня­ты свалками, золоотвалами, хвостохранилищами и др., кото­рые интенсивно загрязняют почвы, а их способность к само­очищению, как известно, ограничена.

Огромный вред для нормального функционирования почв представляют газо-дымовые выбросы промышленных пред­приятий. Почва обладает способностью накапливать весьма опасные для здоровья человека загрязняющие вещества, на­пример тяжелые металлы.(таб. 1). Вблизи ртутного ком­бината содержание ртути в почве из-за газо-дымовых выбро сов может повышаться до концентрации, в сотни раз превы­шающих допустимые. Значительное количество свинца содержат почвы, находя­щиеся в непосредственной близости от автомобильных дорог. Результаты анализа образцов почвы, отобранных на расстоя­нии нескольких метров от дороги, показывают 30-кратное пре­вышение концентрации свинца по сравнению с его содержани­ем (20 мкг/г) в почве незагрязненных районов (Загрязнение воз­духа..., 1988).

Таблица 1. Последствия воздействия некоторых тяжелых металлов на здоровье человека

Элементы	Последствия воздействия элементов	Источники
Повышенные концентрации
Ртуть (Hg)	Нервно-паралитические расстрой­ства (болезнь Минамата); наруше­ние функций желудочно-кишечного тракта, почек; измене­ние в хромосомах	Загрязненные почвы, поверх­ностные и под­земные воды
Мышьяк (As)	Раковые заболевания кожи, ин­токсикация, периферические нев­риты	Загрязненные почвы, про.-травленное зер­но
Свинец (РЬ)	Разрушение костных тканей, за­держка синтеза протеина в крови, нарушение нервной системы и по­чек	Загрязненные почвы, поверх­ностные и под­земные воды
Медь (Си)	Органические изменения в тканях, распад костной ткани, гепатит	Загрязненные почвы, поверх­ностные и под­земные воды
Кадмий (Cd)	Цирроз печени, нарушение функ­ций почек, протеинурия	Загрязненные почвы

По данным агрохимической службы России (1997), почти 0,4 млн га в нашей стране оказались загрязненными медью, свинцом, кадмием и др. Еще больше земель были загрязнены радионуклидами и радиоактивными изотопами в результате Чернобыльской катастрофы.

Одной из серьезных экологических проблем России стано­вится загрязнение земель нефтью и нефтепродуктами в та­ких нефтедобывающих районах, как Западная Сибирь, Среднее и Нижнее Поволжье и др. Причины загрязнения — аварии на магистральных и внутрипромысловых нефтепроводах, несовер­шенство технологии нефтедобычи, аварийные и технологиче­ские выбросы и т. д. В результате, например, в отдельных рай­онах Тюменской и Томской областей концентрации нефтяных углеводородов в почвах превышают фоновые значения в 150— 250 раз. На тюменском Севере площади оленьих пастбищ умень­шились на 12,5%, т. е. на 6 млн га, замазученными оказались 30 тыс. га. В Западной Сибири выявлено свыше 20 тыс. га, загрязненных нефтью с толщиной слоя не менее 5 см (Госу­дарственный доклад..., 1995).

Значительную угрозу для здоровья людей представляет за­грязнение почв различными патогенами, которые могут про­никать в организм человека следующим образом (Розанов, 1984):

во-первых, через цепь: «человек — почва — человек». Па­тогенные организмы выделяются зараженным человеком и че­рез почву передаются другому, либо через выращенные на за­раженной почве овощи и фрукты. Так человек может заболеть холерой, бациллярной дизентерией, брюшным тифом, парати­фом и др. Аналогичным путем в организм человека могут по­падать и черви-паразиты;

во-вторых, через цепь: «животные — почва — человек». Су­ществуют ряд заболеваний животных, которые передаются че­ловеку (лептосориаз, сибирская язва, туляремия, лихорадка Ку и др.) путем прямого контакта с почвой, загрязненной выделе­ниями инфицированных животных;

в-третьих, через цепь: «почва — человек», когда патоген­ные организмы попадают из нее в организм человека при пря­мом контакте (столбняк, ботулизм, микозы и др.).

Состав и характеристики почв

Почва - самостоятельное естественно-историческое органо-минеральное природное тело, возникающее на поверхности земной суши в результате длительного воздействия биотических, абиотических и антропогенных факторов, состоящее из твердых минеральных и органических частиц, воды и воздуха и имеющее специфические генетико-морфологические признаки, свойства, создающие для роста и развития растений соответствующие ус­ловия. Как вытекает из приведенного определения, почва -трехфазная среда, включающая твердые, жидкие и газообразные компоненты. Она представляет продукт физического, химического и биологического преобразования различных пород, т. е. сложного взаимодействия климата, растений, животных и микроорганиз­мов. Сама почва постоянно развивается и изменяется, вследствие чего существует большое разнообразие ее типов. В результате пе­ремещения и превращения веществ почва расчленяется на от­дельные слои, или горизонты, сочетание которых составляет ее профиль.

Избыток или недостаток гумуса определяет плодородие поч­вы, так как в нем происходят сложные обменные процессы, в ре­зультате которых образуются элементы питания растений. Он может иметь зернистую, комковатую или слоистую структуру.

Одно из наиболее важных физических свойств почвы -ее ме­ханический состав, т. е. содержание частиц разного размера. Уста­новлены четыре градации механического состава: песок, супесь, суглинок и глина. От механического состава зависят водопрони­цаемость почвы, ее способность удерживать влагу, проникновение в нее корней растений и др. Кроме того, каждая почва характери­зуется плотностью, тепловыми свойствами, влагоемкостью и влагопроницаемостью. Большое значение для почвы имеет аэра­ция, т. е. насыщение ее воздухом и способность к такому насы­щению.

Химические свойства почвы зависят от содержания минераль­ных веществ, которые находятся в ней в виде растворенных ионов. Одни ионы вредны для растений, а другие -жизненно необходимы. Концентрация в почве ионов водорода (рН) в среднем близка к ней­тральному значению. Флора таких почв особенно богата видами. Известковые и засоленные почвы имеют рН = 8...9, а торфяные -до 4. На этих почвах развивается специфическая растительность.

В почве обитает множество видов растительных и животных организмов, влияющих на ее физико-химические характеристи­ки: бактерии, водоросли, грибы, простейшие одноклеточные, черви и членистоногие.

Именно почва в наибольшей степени подвергается загрязне­нию, что вызывает нарушение физических, химических и биоло­гических процессов, протекающих в ней. Загрязнение почвы непосредственно связано с загрязнением атмосферы и вод. В почву попадают твердые и жидкие промышленные, сельскохозяйствен­ные и бытовые отходы. Основными загрязняющими веществами являются металлы и их соединения, радиоактивные вещества, удобрения и пестициды.

Загрязнения меняют ход почвообразовательного процесса, резко снижают урожаи, накапливаются в растениях (например, тяжелые металлы), из которых прямо или косвенно (через расти­тельные или животные продукты питания) попадают в организм человека. Кроме того, загрязнения приводят к ослаблению само­очищения почв от болезнетворных и других нежелательных мик­роорганизмов, что создает опасность массовых заболеваний. Так, в незагрязненных почвах возбудители дизентерии, тифа и паратифа сохраняются в течение 2...3 суток, а при ослабленном загрязните­лями самоочищении почв возбудители дизентерии сохраняются несколько месяцев, тифа и паратифа -до полутора лет.

Почвенный покров и его деградация

Почвенный покров - совокупность почв, покрывающих зем­ную поверхность. В большинстве областей Земли толщина поч­венного покрова, обеспечивающего получение большей части пищевых продуктов, составляет всего 150...300 мм. Около 75% всех почв планеты имеют пониженную продуктивность из-за не­обеспеченности теплом и влагой. По данным Международной организации по вопросам продовольствия, общая площадь по­тенциально пригодных для земледелия почв составляет около 2,7 млрд га, из которых 1,5 млрд га уже обрабатываются, а для включения остальных 1,2 млрд га в сельскохозяйственное произ­водство требуются большие материальные затраты.

Накопленные статистические данные показывают, что при существующей средней урожайности на каждого нового жителя планеты требуется для производства пищи 0,4...0,5 га и около 0,1 га на другие нужды.

В результате воздействия естественных и антропогенных при­чин происходит деградация почвенного покрова, т. е. постепенное ухудшение свойств почв, вызываемое изменением условий почво­образования в результате естественных причин (например, наступ­ления лесов или сухой степи на черноземы) или хозяйственной деятельности человека (неправильная агротехника, загрязнение и т.п.) и сопровождаемое уменьшением содержания гумуса, разру­шением почвенной структуры и снижением плодородия.

Изменение естественных условий почвообразования. Наиболее интенсивно изменяются естественные условия почвообразования из-за опустынивания. Под опустыниванием понимают уменьше­ние или уничтожение биологического потенциала земель, кото­рое в итоге может привести к возникновению условий, аналогич­ных условиям пустыни. Различают две формы опустыванйя: де-зертификацию, т.е. расширение ареала пустыни, и дезертизацию, т.е. углубление процесса опустынивания в конкретном регионе.

Наиболее типичным примером дезертификации является из­менение площади, занимаемой пустыней Сахара. С 1980 по 1984 гг., по данным НАСА, пустыня Сахара расширила свои размеры с 8,80 до 10,01 млн км², далее наступил процесс отступления и в 1990 г. она занимала пространство в 9,63 млн км².

Уменьшение содержания гумуса. Гумус - органическое веще­ство почвы, образуемое в результате разложения растительных и животных остатков и продуктов жизнедеятельности организмов.

Гумус содержит основные элементы питания растений, в свя­зи с чем почвы, богатые гумусом, обладают высоким плодороди­ем. Уменьшение содержания гумуса в почве ведет к снижению их плодородия и в итоге к опустыниванию.

Основная причина уменьшения содержания гумуса в почве -приемы искусственного повышения плодородия почв (внесение минеральных и др. удобрений, мелиорация и т. п.). По данным агрохимического обследования, 16,5 млн га российских пашен имеют очень низкое содержание гумуса, а 21 млн га - низкое. «Питательность» черноземов центральных областей России за по­следние 100 лет снизилась почти вдвое. В ближайшие годы, если не будут изменены методы земледелия, уменьшение запаса гумуса в почвах может привести к необратимым изменениям почвенного плодородия.

Основными и наиболее опасными загрязнителями почв яв­ляются пестициды, нитраты, тяжелые металлы, фтор и радио­нуклиды.

Пестицид -химическое соединение, используемое:

• для регуляции роста и развития растений (ауксины, гибе-риллины, ретарданты);

• для удаления листьев растений (дефолианты);

• для уничтожения растений на корню (десиканты);

• для удаления цветов и завязей (дефлоранты);

• для отпугивания животных (репелленты) или их привлече­ния (аттрактанты) и стерилизации (хемостерилизаторы);

- для уничтожения эктопаразитов животных и борьбы с пе­реносчиками опасных заболеваний.

В качестве пестицидов в настоящее время разрешено исполь­зование 280 биологически активных компонентов различных хи­мических классов, на базе которых разработано более 600 препа­ратов. При обработке земельных участков путем их опрыскивания пестицидами снос последних за пределы обрабатываемых площа­дей составляет 50...60% от их вносимого количества, а при ис­пользовании авиации - 75%.

Пестициды разлагаются очень медленно и наиболее интен­сивно накапливаются в овощах, затем в растительных маслах, фруктах и ягодах, меньше - в мясе, яйцах и молоке.

Наиболее подвержены воздействию пестицидов дети в возрас­те до 14 лет. Установлена сильная корреляционная связь между биологически активными компонентами пестицидов и вызывае­мыми ими заболеваниями. Так, частота заболеваний детей хрони­ческим фарингитом обусловливается только хлорорганическими препаратами, а вирусным гепатитам - гербицидами. В зонах ин­тенсивного применения пестицидов у взрослого населения также обнаруживается тенденция к росту заболеваемости, но они менее выражены и имеют свои особенности. Так, заболеваемость среди тепличниц и механизаторов-химизаторов превышает среднюю по сельскому хозяйству в 2,1...3,3 раза. Средняя продолжительность жизни мужчин механизаторов-химизаторов - 56 лет.

Пестициды отрицательно влияют на экосистемы любого уровня и на здоровье человека. Поэтому их следует использовать строго по назначению в минимально необходимом количестве и лишь там, где химические средства защиты нельзя пока заменить биологическими.

Удобрение - вещество (или агент), создающее при внесении в почву условия для ускоренного роста и развития растений и мик­роорганизмов. Различают минеральные и органические удобрения.

Минеральное удобрение - добытое из недр или промышленно полученное химическое соединение, содержащее в большом ко­личестве один или несколько основных элементов питания рас­тений (азот, фосфор, калий), важные для жизни растений микро­элементы (медь, бор, марганец и др.), а также естественные про­дукты типа извести, гипса, золы и т. п., способные улучшить химические или структурные характеристики почвы.

Органическое удобрение - перегной, торф, навоз, птичий по­мет, фекалии животных, компосты и т. п., используемые для повышения плодородия почвы или способствующие развитию по­лезной микрофлоры почв.

Низкая культура земледелия, а также внесение удобрений в почву с помощью устаревшей техники предопределяют, что толь­ко 10... 15% их достигает растений, а остальные загрязняют окру­жающую среду.

В связи с интенсификацией сельскохозяйственного производ­ства и увеличением количества вносимых азотных удобрений проблема нитратов (соли азотной кислоты HN0₃) и нитритов (со­ли азотистой кислоты HN0₂) приобрела серьезное значение, по­скольку они не только отрицательно воздействуют на организм людей, но и приводят к заболеваниям и даже гибели сельскохо­зяйственных животных. Наиболее интенсивно накапливают нит­раты кабачки, свекла столовая и огурцы. По этой причине почти шестая часть плодоовощной продукции содержит нитраты в ко­личествах, превышающих ПДК. А от уровня содержания нитра­тов в продуктах питания напрямую зависит онкологическая и ал­лергическая заболеваемость, которая в России за последние годы резко возросла. Допустимая суточная доза нитратов, содержа­щихся в основных продуктах питания, для взрослого человека в России - 325 мг, в то время как по рекомендации ВОЗ она не должна превышать 220 мг. Установлено, что потребление живот­ными корма с содержанием нитратов более 1% его сухой массы приводит к их гибели.

В отличие от развитых стран, в России применяют удобрения, содержащие, помимо питательных для растений веществ, боль­шое количество балластных и довольно часто токсичных приме­сей. Так, установлено, что содержание стронция в некоторых удобрениях в 100 раз превышает значения, регламентированные, например, американскими стандартами. Попадание стронция и его солей в организм человека вызывает «уровскую болезнь», ко­торой страдают только жители долины реки Ура в Забайкалье, по­скольку в ее воде довольно много солей стронция. При потреб­лении этой воды соли кальция в костях замещаются солями стронция, которые быстро вымываются из организма человека. В результате кости становятся мягкими, изгибаются, и у людей по­являются специфические уродства.

Тяжелые металлы (плотностью более 4,5 г/см³) при повышен­ной концентрации становятся опасными для человека. По степени опасности различают три их класса (табл. 2). К классу I относятся мышьяк, кадмий, ртуть, бериллий, селен, свинец, цинк; к классу II -кобальт, хром, медь, молибден, никель, сурьма; к классу III -ва­надий, барий, вольфрам, марганец, стронций.

При попадании в организм человека тяжелые металлы начи­нают накапливаться в почках и печени. Специфика источников загрязнений почв тяжелыми металлами в различных условиях приведена в табл.2.Коэффициент концентрации химического элемента опреде­ляется отношением его реального содержани я в почве (С,) к фо­новому (С_ф): *К_С=С,/С_ф.

Источники загрязнения	Производство	Коэффициент концентрации
		более 10	от 2 до 10
Цветная металлургия	Цветных металлов непосредственно из руд и концентратов	Свинец, цинк, медь, сереб­ро	Олово, висмут, селен, мышь­як, кадмий, сурьма, ртуть
	Вторичная переработка цветных металлов	Свинец, цинк, медь, олово	Ртуть
	Твердых и тугоплавких цветных металлов	Вольфрам	Молибден
	Титана	Свинец, цинк, медь, сереб­ро, бор	Титан, марганец, молибден, олово, ванадий
Черная металлургия	Легированных сталей	Кобальт, молибден, вис­мут, вольфрам, цинк	Свинец, кадмий, хром
	Железорудное	Свинец, серебро, мышьяк	Цинк, вольфрам, кобальт, ванадий
Машиностроительная и ме­таллообрабатывающая про­мышленность	Термическая обработка металлов (без литейных цехов)	Свинец, цинк	Никель, хром, ртуть, олово, медь
	Свинцовых аккумуляторов и приборов для электротехнической и электронной про­мышленности	Свинец, никель, кадмий	Сурьма, свинец, цинк, вис­мут
Химическая промышлен­ность	Суперфосфатных удобрений	Стронций, цинк, фтор	Медь, хром, мышьяк, итрий
	Пластмасс	—	Медь, цинк, серебро
Промышленность строи­тельных материалов	Цемента (при использовании отходов метал­лургии возможно накопление в почвах также других металлов) и бетонных изделий		Ртуть, стронций, цинк
Твердые бытовые отходы крупных городов, используе­мые в качестве удобрений	"	Свинец, олово, медь, се­ребро, сурьма, цинк, кад­мий	Ртуть
Осадки канализационных сточных вод		Свинец, олово, медь, хром, цинк, кадмий, ванадий, никель	Ртуть, серебро
Загрязненные поливочные воды	—	Свинец, цинк	Медь

Таблица 2. Спецификация источников загрязнения

Нормирование и контроль загрязнения почв

Принцип нормирования химических веществ в почве значи­тельно отличается от принципов, положенных в основу нормиро­вания их в водоемах, атмосферном воздухе и пищевых продуктах. Попавшие в почву химические вещества поступают в организм человека главным образом через контактирующие с почвой сре­ды: воду, воздух и растения, в последнем случае по биологической цепи почва - растение - человек. Поэтому при нормировании химических веществ в почве учитывается не только та опасность, которую представляет почва при непосредственном контакте с ней, но и последствия вторичного загрязнения контактирующих с почвой сред.

Установление ПДК загрязняющих веществ в почве находится в первоначальной стадии, поэтому к настоящему времени уста­новлены ПДК лишь для 30 вредных веществ, преимущественно ядохимикатов.

В связи с тем, что вредные вещества поступают в организм чело­века по пищевым цепям, то установлены допустимые остаточные количества (ДОК) пестицидов в почве, пищевых и кормовых про­дуктах (табл. 3).

Таблица 3

ПДК и ДОК некоторых веществ в почве

Вещество	ПДК, мг/кг	ДОК, мг/кг
Хлорофос	0,5	1,0
Карбофос	2,0	1,0
Прометрин	0,5	0,1
Полихлоркамфер	0,5	0,1
Гексахлорциклонексан	1,0	1,0

Загрязнение почвы в условиях городов связано с образовани­ем промышленных и бытовых отходов. В связи с этим санитар­ный контроль загрязнения почв осуществляется преимуществен­но органами санэпидслужбы. Эта служба проводит:

• предупредительный надзор за проектированием и строи­тельством сооружений по очистке и обезвреживанию промыш­ленных и бытовых отходов;

• текущий надзор за своевременным сбором и удалением промышленных и бытовых отходов, а также вторичного сырья.

Кроме указанных функций, под контролем санитарной служ­бы находится не только сбор, но и транспортирование отходов, согласование мест их захоронения, переработки.

Санитарное состояние почв оценивается по четырем направ­лениям:

1. Санитарные физико-химические исследования (преимущест­венно для почвенных фильтратов), включающие определение: от­ношения общего азота к органическому, кислотности, биохимиче­ского потребления кислорода окисляемости, сухого остатка сульфа­тов и хлоридов и т. п.

2. Санитарно-энтомологические исследования, включающие учет численности синантропных мух (нашедших близ жилья че­ловека особо благоприятные для себя условия жизни) во всех фа­зах их развития (взрослые, личинки, куколки) в помещениях, на открытом воздухе, в почве и отходах.

3. Санитарно-гельминтологические исследования в целях оп­ределения числа яиц гельминтов, паразитирующих в органах че­ловека, в местах, часто посещаемых населением.

4. Санитарно-бактериологические исследования - наиболее обстоятельные и осуществляемые по программам полного, крат­кого и специального анализов. При этих исследованиях опреде­ляют прежде всего присутствие бактерий кишечной группы (на­пример, с помощью коли-титра). Специальные анализы проводят в целях обнаружения представителей дизентерийной и тифозной (паратифозной) групп.