Самоочищение природных вод

Самоочищение водоемов - совокупность всех природных процессов в загрязненных водах, ведущих к восстановлению первоначальных свойств и состава воды.

В природных водоемах обитают рыбы, водоплавающие животные, птицы, развиваются водоросли, инфузории, рачки, насекомые, планктон и донные организмы. Здесь функционирует свой круг веществ.

Процессы самоочищения водоемов зависят от гидробиологической и гидрохимической обстановки в них. Основными факторами, существенно влияющими на водоемы, являются, температура вода, минеральный состав примесей, концентрация кислорода, рН воды, концентрация вредных примесей, препятствующих или затрудняющих протекание процессов самоочищения водоемов.

Особенно большое значение в процессах самоочищения имеет кислородный режим водоемов. Расход кислорода на минерализацию органических веществ определяется через биохимическое его потребление,(БПК).

Биохимическое потребление кислорода (БПК), выражается количеством кислорода, использованного в биохимических (при помощи бактерий) процессах окисления органических веществ за определенное время инкубации пробы (мг О2 в сутки).

Обычно на практике при анализе качества воды пользуются пятисуточной (БПК 5) или полной (БПКПОЛНОЕ) биохимической потребностью кислорода.

При сбросе в водоем загрязнителей биологическое равновесие в нем нарушается. Появляются минеральные новообразования в виде взвесей и растворов. Органические вещества окисляются аэробными микроорганизмами, расходующими кислород и выделяющими определенное количество теплоты. Образуются углекислый газ и вода, водоем очищается от органических веществ, но содержание кислорода уменьшается. При полном израсходовании кислорода размножаются анаэробные организмы, а все аэробные погибают. Самоочищение вод при этом прекращается, и начинается разложение органических веществ анаэробными микроорганизмами с образованием ядовитых веществ (аммиака, метана, сероводорода и др.). Водоем становится "мертвым".

Таковы основные последствия загрязнения гидросферы, которая оказалась наиболее уязвимой частью биосферы. И, если в ближайшее время кардинально не улучшатся ее использование и охрана, жизнь на планете окажется под угрозой.

Загрязнение литосферы

Земельные ресурсы

Литосфера – твердая оболочка Земли, различается по составу и строению на материках и океане. Мощность литосферы 50 – 250 км, в том числе земной коры до 50 – 75 км на суше (29,2 % поверхности Земли) и 5 – 11 км на дне океана.

Верхние слои литосферы мощностью 2 – 3 км (по некоторым данным – до 8,5 км) называют литобиосферой. Частью биосферы является только верхняя часть земной коры, т. к. с глубиной нарастает температура земных недр. Живые бактерии выявляются в подземных водах с температурой до 100^oС, хотя наиболее активная жизнедеятельность ограничена примерно 80^oС, предельная концентрация минеральных солей 270 г/дм³. При глубоком бурении в Поволжье и Западной Сибири активная и разнообразная по составу анаэробная микрофлора была найдена на глубине 1 – 3 км, а иногда и глубже [41].

Первоосновой всех форм растительных и животных организмов на суше является почвенный покров.

Почва - верхний слой суши, образовавшийся под влиянием многообразных физико-химических и биологических процессов, имеет постоянный обмен веществ и находится в состоянии подвижного равновесия с окружающей средой, служит общепланетарным аккумулятором и распределителем энергии прошедших через фотосинтез растений, удерживающим в биосфере важнейшие элементы - углерод, азот, фосфор, калий, серу, кальций и др. Основоположник современного почвоведения русский естествоиспытатель В.В. Докучаев (1846 - 1903) в своей работе «Картография русских почв» дал такое определение почвы: «Это суть поверхностно лежащие минерально-органические образования, которые всегда более или менее окрашены гумусом; эти тела имеют свое собственное происхождение; они всегда и всюду являются результатом совокупной деятельности материнской горной породы, живых и отживших организмов (как растений, так и животных), климата, возраста страны и рельефа местности; почва, как и всякий другой организм, всегда имеет известное строение, нормальную толщину и нормальное положение…» [40].

В почве сложным образом взаимодействуют следующие основные компоненты:

1. минеральные частицы (песок, глина), вода, воздух;
2. детрит – отмершее органическое вещество, остатки жизнедеятельности растений и животных;
3. множество живых организмов – от детритофагов до редуцентов, разлагающих детрит до гумуса.

Эдафические факторы – это свойства почвы как экологического фактора. Для почвы характерна более или менее рыхлая структура, определенная водопроницаемость и аэрируемость.

Почва является биокосной системой, основанной на динамическом взаимодействии между минеральными компонентами, детритом, детритофагами и почвенными организмами. Поверхностные слои почвы обычно содержат остатки растительных и животных организмов (детрит), разложение которых приводит к образованию гумуса, количество которого определяет плодородие почвы.

Процесс образования почвы протекает со скоростью 0,5 – 2 см в столетие, на образование пахотного слоя мощностью 18 – 25 см нужно от 2 до 8,5 тыс. лет. Поэтому если почва исчезла, то для всех практических целей она пропала навсегда.

Площадь суши земного шара без ледников и полярных шапок составляет 133,4 млн. км². Из них 55,4 млн. км²приходится на тропики; 24,3 млн. км² – на субтропики; 22,5 млн. км² на – зону умеренного климата и 21,2 млн. км² – на полярную зону. Пахотные угодья занимают около 1,5 млрд. га (10 – 11% суши), пастбища и сенокосы – приблизительно 3 млрд. га (20 % суши). По данным ООН, 20 % площади суши располагаются в слишком холодном климате, 20 % занимают высокие горы и 10 % – щебенистые почвы крутых склонов [52]. Резервы сельскохозяйственных земель на планете исчерпаны. Население земного шара распределено неравномерно, и обеспеченность пашней в разных странах неодинакова. Наиболее обеспеченные пашней страны являются основными производителями сельскохозяйственной продукции. На каждого жителя планеты приходиться в среднем 0,4 га пашни [12]. Эта цифра имеет тенденцию к сокращению, так как население Земли растет, а площадь суши не увеличивается. Площадь пашни можно увеличить за счет распашки лугов, сенокосов и пастбищ, но освоение новых территорий экологически небезопасно и экономически чаще всего нерентабельно.

По обеспечению пашней территория бывшего СССР занимает четвертое место в мире, однако половина этой территории находится в зоне многолетней мерзлоты, а 2/3 пахотных земель приурочено к зоне недостаточного увлажнения, и по потенциальным возможностям природных условий для сельскохозяйственного производства эта территория в 2,4 раза уступает США, 2,25 раза – Франции, в 1,7 раза – Германии и 1,5 раза – Великобритании [52].

На долю России приходится 76,6 % площади бывшего СССР и 59,6 % пашни. За длительный период бесхозяйственного использования почвы РФ в значительной степени утратили свое плодородие. Среди них много смытых черноземов, которые необходимо защищать от водной и ветровой эрозии. Почвы нуждаются в специальных мероприятиях по осушению, рассолению, нейтрализации кислой реакции (известкование), орошении и т.д. В настоящее время на душу населения в РФ приходится порядка 0,8 га пашни, а еще в 1971 г было 0,9 га. Такое уменьшение вызвано ростом населения страны и отводом продуктивных земель для строительства, развития промышленности и транспорта.

Эрозия почв

Под влиянием природных процессов и хозяйственной деятельности человека происходит механическое разрушение почвы – эрозия (от лат. «erosio» – разъедание) и физико-химическое загрязнение почв.

На интенсивность процессов эрозии почв влияют климат, рельеф местности и характер растительности. Естественная геологическая эрозия протекает медленно и формирует в течение длительного времени поверхность Земли, не оказывая отрицательного влияния на плодородие почвы. Большой вред почве наносит антропогенная эрозия, которая идет ускоренными темпами. Различают водную и ветровую эрозию.

Водная эрозия развивается там, где местность имеет волнистый рельеф, естественный растительный покров разрушен, часто выпадают ливневые дожди или очень быстро тает снег. Эрозия развивается в тех случаях, когда распахиваются легкие почвы, не соблюдается чередование культур на поле, распашка производится, не поперек, а вдоль склона и т.д. Причиной возникновения промоины может стать небольшая яма на склоне, выкопанная для добычи глины, гравия или песка, колея телеги, трактора или автомобиля, проложенная вдоль склона. Водная эрозия особенно сильно проявляется весной, когда по лишенной растительности поверхности почвы текут талые и дождевые воды.

Ветровая эрозия или дефляция характерна для степных районов, где часто дуют сильные ветры. Она заключается в выдувании, переносе и отложении мельчайших почвенных частиц. Ветровой эрозии подвергаются участки с распыленными бесструктурными почвами, утратившие растительный покров. Скорость ветра при пыльных, или черных бурях достигает 35 м/с, при этом в воздухе поднимается огромное количество почвенных частиц и с больших площадей сносится почвенный слой. Сильно страдают почвы от ветровой эрозии при добыче полезных ископаемых открытым способом, строительстве различных объектов, прокладке дорог и коммуникаций, когда уничтожается естественный растительный покров. Эрозия превращает цветущие земли в пустыни. Разрушение почвы процессами эрозии приводит к сокращению пашни, сенокосных угодий и пастбищ, и увеличению площади неудобий. В результате изменяются состояние и структура сельскохозяйственных угодий. За историческое время человечество по различным причинам, в том числе и вследствие эрозии, потеряло 2 млрд. га сельскохозяйственных угодий. По оценке академиков И. П. Герасимова и Е. К. Федорова, из-за эрозии почвы на планете потеряно до 700 млн. га только пахотных земель [52].

Кроме уже указанных выше, причинами эрозии является также бесконтрольная вырубка лесов, неумеренный выпас скота, неправильные методы земледелия.

Загрязнение почв

В нормальных естественных условиях все процессы, происходящие в почве, находятся в равновесии. В почве постоянно идут процессы самоочищения, когда населяющие почву организмы стремятся переработать попадающие в нее загрязнители. В 1 куб. см здоровой почвы содержатся миллионы микроорганизмов, но способность ее к самоочищению не безгранична и при интенсивном загрязнении может быть утрачена.

Основные источники загрязнения и изъятия земли приведены на рисунке 2.5.

Значительный ущерб почве наносит загрязнение от промышленных предприятий, теплоэнергетических комплексов, транспорта, коммунальных предприятий, химизации сельского хозяйства.

Наиболее губительное влияние оказывают кислотные осадки (кислотные дожди), разрушающие структуру почвы, губящие микроорганизмы, а также тяжелые металлы – свинец, ртуть, цинк, кадмий, селен, марганец и др. Ртуть попадает в почву от пестицидов и промышленных отходов с годовым объемом до 4 – 5 тыс. т. Свинец поступает от автотранспорта, от промышленных отходов. Из каждой тонны добытого свинца около 25 кг попадает в почву, поэтому вблизи автодорог на расстоянии до 200 м содержание свинца в 25 – 30 раз выше, чем в обычных районах. У перекрестков улиц больших городов содержание свинца в 200 – 300 раз превосходит фоновое, и эта цифра неуклонно растет.

От жилых домов и бытовых предприятий в последние годы в почву все больше попадает бытового мусора, фекалий, пищевых отходов; при реконструкции – строительного мусора. Промышленные предприятия перекачивают в хвостохранилища, шламовые пруды, накопители разнообразные соли цветных и тяжелых металлов, цианиды, соединения мышьяка и т. д. Теплоэнергетические предприятия выбрасывают в воздух оксиды серы, азота, золу, которые с дождем попадают в почву. В верхних горизонтах почвы происходит постепенное накопление токсичных веществ.

При повышении содержания легкорастворимых солей (карбонат натрия, хлориды и сульфаты) почвы становятся засоленными, в результате угнетается рост или погибают сельскохозяйственные растения. Засоленность проявляется в результате чрезмерной засоленности почвообразующих пород, бессистемного полива при отсутствии дренажа, орошения минерализованной водой, выпадения осадков с солью.

С эрозией почвы борются путем использования организационно-хозяйственных мероприятий (безопасное в эрозионном отношении использование земель, использование полей севооборотов и защитных лесных насаждений и др.); агротехнических (уменьшение водной эрозии вспашкой поперек склона и др.); лесомелиоративных (создание защитных, водорегулирующих и других лесных полос и массивов); гидротехнических мероприятий (устройство водозадерживающих валов, террас, нагорных каналов, искусственных водоемов, противоселевых дамб и др.). Большую полезащитную и водорегулирующую роль играют защитные лесные насаждения – ветроломные и водорегулирующие, плотные, продуваемые или ажурные.

С загрязнением почв нужно бороться путем исключения поступления этих загрязнений, создания безотходных технологий, утилизации существующих и новых отходов, конструирования производств с замкнутым циклом. В нашей стране только 5 % земель пригодны без специальных мелиоративных работ: осушения, орошения, известкования, гипсования, борьбы с эрозией и др. Мелиорация земель является действенным средством влияния на экосистемы и природу, особенно на связи в природе. Поэтому мелиоративные мероприятия должны осуществляться после изучения отдельных последствий с большой осторожностью.

Средством возвращения земель в сельскохозяйственный оборот, сохранения угодий, особенно после разработки полезных ископаемых в местах складирования выработанных пород, золоотвалов, шламовых насыпей, является их рекультивация.

Рекультивация земель производится в два этапа: технический и биологический. Первый этап начинается со снятия и складирования плодородного слоя. Мощность снимаемого слоя специалисты определяют на местности или по почвенной карте. Почвенный слой снимают бульдозером и помещают в бурты, которые хранятся до окончания строительства или других работ. Чтобы почва не раздувалась и не размывалась в период хранения, бурты засевают бобовыми травами - клевером, люцерной и т. д. После окончания строительства проводят планировку свободной от застройки территории, а затем на выровненную поверхность наносят ранее снятый почвенный слой.

Биологический этап рекультивации земель включает внесение удобрений, орошение, посев многолетних трав, сельскохозяйственных культур, посадку деревьев и кустарников. Биологическая рекультивация делится на лесную и сельскохозяйственную. Под сельскохозяйственную используются плодородные земли, а под лесную - малопригодные.

Согласно существующему положению о рекультивации земель, предприятия и организации, осуществляющие все виды строительства, которые приводят к нарушению почвенного покрова, обязаны снимать, хранить и наносить плодородный слой почвы на рекультивируемые земли, а при экономической целесообразности – малопродуктивные угодья. В обязанность этих предприятий входит также приведение земель после окончания всех работ в такое состояние, которое позволит использовать их сельском хозяйстве.

Рисунок 2.5 -Схема загрязнения литосферы и изъятия земли

Вопросы защиты биосферы рассматриваются во второй части пособия.