Лекции - Экология

Подождите немного. Документ загружается.

,29 3

- калорийный эквивалент. Для нефти Э принимают равным

1,4; природного газа - 1,2; кокса - 0,93; торфа - 0,4.

Однако, по самым оптимистическим прогнозам реальным

представляется возможность добыть в стране в 2010Hг. 1820Hмлн. т.у.т.

Конечно, здесь нужно иметь в виду то, что России необходимо сделать

многое по снижению энергоемкости при получении тепла и промышленной

продукции. Это видно из данных, приведенных в табл 7.3. На основании

изучения процессов энергопотребления в мире за период с 1860Hг. по 1976Hг.

группой экспертов из разных стран были определены временные границы

современной промышленной эпохи: интервал с 1789Hг. по 2206 г. и построена

технико-энергетическая модель.

Удельные расходы топлива на производство некоторых

видов промышленной продукции

Продукция Единица

измерения

Удельные расходы топлива

Россия Среднемировые

Теплоэнергия кг у.т. / Гкал 173,3 164,0

Доменный чугун кг у.т. / т 581,9 466,0

Прокат черных

металлов

кг у.т. / т 135,8 41,0

Поковки и

штамповки

кг у.т. / т 271,2 50

Термообработка

металла

кг у.т. / т 109,4 70

Клинкер кг у.т. / т 216,0 106,0

Глиняный кирпич кг у.т. / 1000 шт. 245,0 170,0

Листовое стекло кг у.т. / т 474,5 165,0

Системный анализ показал наличие в ней 3-х отчетливо выраженных

периодов по 139Hлет, соответствующих трем промышленными революциям -

на основе применения энергии угля, затем нефти и, наконец, атома.

Человечество в целом находится во 2-ой стадии этой эпохи, хотя

большинство развитых стран вступает в 3-й ее период.

Доля угля в общемировом ТЭБ достигла максимума 64H% в 1920Hг.,

доля нефти и газа - такого же уровня в середине 90-х годов ХХ столетия а

доля ядерной энергии достигнет его, видимо, после 2050 г.

В будущем столетии уже не приходится рассчитывать на существенное

увеличение поставок нефти, которая была базой экономического роста

несколько десятилетий. Настоятельной необходимостью стало обеспечение

экономического роста быстрым развитием новой энергетической базы.

Однако, производство ядерной энергии по ряду серьезных причин не

поспевает за экономическим ростом (к середине 90-х годов доля этого

энергоносителя в общем потреблении первичных энергоносителей возросла

лишь до 6,5H%). Решающее значение приобретает поэтому мост к источникам

энергии и системам энергообеспечения следующего 21Hвека. Таким мостом в

ближайшее десятилетие может быть реально только уголь.

Уголь как энергетическое сырье является наиболее экологически

опасным из всех ископаемых видов топлива из-за повышенной эмиссии

вредных веществ при его сжигании. Однако, известно, что можно

значительно снизить ущерб природной среде от угольной энергетики, если

использовать облагороженный или "чистый уголь", синтетические

газообразные или жидкие виды топлив, получаемые путем химической

переработки угля.

Поэтому важнейшее место в энергетической политике развитых стран

отводится решению проблем, связанных с предупреждением или очисткой

вредных выбросов энергетических объектов, использующих как твердое, так

и жидкое топливо, в соответствии с принципами концепции устойчивого

развития, принятой в 1992 г. Конференцией ООН по охране окружающей

среды и развитию.

6.2. Почвы. Способы повышения их плодородия

Наиболее важная составляющая часть почвы - ее слой, содержащий

гумус, т.е. продукт биохимического превращения растительных и животных

остатков.

Гумус - комплекс гуминовых и фульво кислот - неплавких аморфных

темно-окрашенных веществ, которые также входят в состав органической

массы торфа (до 60H%), бурых (20 - 40H%) и каменных (10 - 20H%) углей.

Эти оксикарбоновые ароматические кислоты, содержащие

карбонильные и метаксильные группы, имеют следующий элементный

состав: С - 50-60H%; Н - 4-6H%; О - 25-40H%.

Человечество, производя продукты питания, всегда стремилось

повысить плодородие почв, тем самым оказывая косвенное воздействие на

животных и растения. Наглядным примером такого воздействия служит

внесение в почву удобрений, а также других химических агентов, влияющих

на различные функции растений (например, гормонов роста, дефолиантов,

десикантов, ингибиторов и т.д.).

Рассматривая воздействие на растения химических регуляторов, можно

сказать, что непродуманное формирование агроэкосистем с помощью

химизации чревато различными негативными последствиями для самого

человека, его здоровья и окружающей среды.

Удобрения - органические и минеральные вещества, содержащие

элементы питания растений (в основном N, P, K), - порождают

экологическую тревогу там, где их применение не сбалансировано или

выполняется с нарушением показаний и регламента. Большую опасность

удобрения могут представлять для водных экосистем, когда при

неправильном хранении или использовании они в больших количествах

попадают в водоемы. В этом случае их рассматривают как серьезные

поллютанты.

Фосфорные и калийные удобрения имеют очень низкий индекс

использования резервов (ИИР): 0,06 и 0,1H% соответственно. Дело в том, что

они широко распространены по всему земному шару в виде месторождений

(фосфатных руд, в основном Са

(РО

)

, руд калия, сильвина KCl). Поскольку

способы применения удобрений в сельском хозяйстве исключают

возможность их регенерации (возврата), то человечеству приходится

разрабатывать все новые и новые месторождения. С этим связана проблема

убыли фосфора на суше.

Один из возможных способов "удержания" фосфора на суше -

пропускание сточных вод через растительные сообщества типа прибрежно-

болотных, где растения будут забирать фосфор как необходимый им

макроэлемент. После скашивания такая трава может идти на корм животным.

Интенсивное применение во многих регионах азотных и калийных

удобрений (содержащих, например NH

, NaNO

, KNO

) привело к

появлению проблемы нитратов, загрязняющих пищевые продукты. В 1988 -

1989Hгг. отмечен резкий скачок их концентрации в сельскохозяйственной

продукции нашей страны.

Верхняя граница нормы нитратов на одного человека в день,

установленная Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ), равна

325Hмг. При потреблении экологически чистых продуктов человек без

ущерба для здоровья потребляет в сутки примерно 100 - 200Hмг нитратов,

причем 60 - 70H% их - с овощами, а 10 - 20H% - с водой. В зерне, ягодах,

фруктах, мясе, рыбе нитратов мало. Если же продукция выращена на

"переудобренных" нитратами почвах, то мы можем получить их дозу,

превышающую норму в 2 - 5 раз, причем "залповым", разовым образом. Это

наиболее опасно, т.к. в организме избыточные нитраты не успевают

выводиться или расходоваться на синтез биомолекул (белков аминокислот), а

превращаются в нитриты.

Именно последние и представляют угрозу здоровью, поскольку,

всасываясь в кровь, они дезактивируют дыхательные ферменты, что

приводит к понижению в крови содержания гемоглобина и нарушению

транспортной функции крови.

Нитратная проблема усугубляется не только при использовании

минеральных удобрений. Органика (например, навоз), содержащая азот,

внесенная в почву в избытке, также может стать источником нитратов.

6.2.1. Способы защиты растений

Пестициды (от лат пестис - зараза и цидо - убиваю) - химические

препараты, проявляющие токсичные (биоцидные) свойства.

В соответствии с назначением их классифицируют на несколько

категорий:

- инсектициды - для уничтожения насекомых;

- гербициды - для уничтожения сорняков;

- фунгициды - для защиты растений от грибковых заболеваний;

- родентициды - для уничтожения грызунов;

- нематоциды - для борьбы с почвенными паразитическими червями

(прежде всего нематодами);

- акарициды - для борьбы с вредящими клещами

Поскольку мы живем в век царствованья насекомых (именно этот класс

находится сейчас на вершине своего видового разнообразия), то вполне

понятно, почему именно инсектициды наиболее широко изучаются и

используются. Велико также число применяемых гербицидов.

В целом пестициды как загрязнители окружающей среды составляют

менее 1H% от общего числа загрязнителей. Однако как сильнодействующие

биологически активные вещества они представляют серьезную опасность для

биосферы и человека. Вместе с тем без них не обойтись. Только у нас в

стране они помогают сохранить 18 - 20H% урожая. Разговоры о том, что

нужно вообще отказаться от пестицидов и перейти на "чистое"

сельскохозяйственное производство (без химии), на сегодняшний день

несостоятельны. Такое возможно (да и то с большими затратами

человеческого труда) лишь на маленьком клочке садового участка!

Человечество применяет пестициды не от хорошей жизни, однако в будущем

вполне возможно отказаться от них, поскольку будут разработаны и

внедрены в практику более экологически чистые методы борьбы с

вредителями сельского хозяйства.

Проблемы, связанные с применением пестицидов, состоят в том, что на

практике нарушаются научно обоснованные рекомендации по

использованию препаратов, не учитываются нормы расхода, сроки

применения и показания к применению. Вместе с тем актуален вопрос

замены устаревших в экологическом плане пестицидов на препараты нового

типа, менее загрязняющие окружающую среду. Такие вещества уже

получены и используются в сельском хозяйстве.

С химической точки зрения пестициды обычно делят на пять классов:

1. Хлорпроизводные углеводородов (или хлорорганические

соединения).

2. Фосфорорганические соединения (ФОС).

3. Производные карбаматов.

4. Производные хлорфеноксикислот.

5. Пестициды пиретроидной природы.

На сегодняшний день, однако, известно довольно много эффективных

пестицидов иной химической природы - производные гидрохинона (I),

замещенные триазины (II) и азолы (III), производные бензойной кислоты (IV)

и др. Все указанные группы пестицидов имеют различные механизмы

воздействия на живой организм. Токсичность соединений первых двух

классов обсуждалась выше. Биоцидное действие карбаматов R - O -

C(O)NHR (производных карбаминовой кислоты H

N - COOH) обусловлено

так же, как и у ФОС, нарушением деятельности AChЕ. Напомним, что

ацетилхолинэстераза AChE - специфический фермент нервной системы -

разрушает ацетилхолин. Последний служит передатчиком нервного импульса

(медиатором нервной системы).

Для сравнения отдельных препаратов по степени воздействия на

окружающую среду пользуются формулой:

ЭН = Р / ЛД

×П,

где ЭН - экологическая нагрузка на 1Hга посева; Р - норма расхода

препарата на 1Hга (в г); П - персистентность препарата в неделях (период

полураспада - характеристика продолжительности жизни в биосфере); ЛД50 -

средне смертельная доза в мг/кг.

Эта формула позволяет оценивать относительную опасность того или

иного пестицида.

Выделяют шесть групп пестицидов по параметру персистентности:

препараты с продолжительностью сохранения в окружающей среде более

18Hмесяцев, 18, 12, 6, 3 и менее 3 месяцев соответственно. Вполне понятно,

что препарат, разлагающийся на простейшие безвредные вещества в течение

1 - 2 дней, недели или месяца, не может быть отнесен к загрязнителям

окружающей среды. Однако есть пестициды, которые обладают практически

абсолютной персистентностью, например, первоначально применявшиеся

соединения мышьяка. Эти пестициды чрезвычайно устойчивы к

воздействиям разнообразных факторов и не подвергаются трансформации и

деградации. Именно поэтому мышьяк содержащие пестициды не

допускаются сейчас к использованию.

В связи с изложенным все более перспективной становится

комплексная (или комбинированная) система защиты растений. Она

включает:

- применение наиболее экологически лояльных пестицидов;

- использование биологических методов защиты (например,

феромонов насекомых или самих насекомых-энтомофагов);

- разработку и внедрение новых интенсивных технологий

возделывания тех или иных культур (в этой области, кстати, без химической

науки тоже нельзя обойтись!).

Основной метод обеззараживания почв, загрязненных диоксинами, —

это их удаление и складирование в специальных хранилищах. Но в

некоторых случаях проводят термическую обработку почв. Например, на

базе ВВС США в Гульфпорте, штат Миссисипи, почву обрабатывали,

передвижной установкой с вращающейся печью. Скорость очистки

составляет – 100 т/сут; эффективность разрушения диоксинов 99,9999 %. В

США разрабатывается метод обеззараживания почв с помощью реактива

АРЕG непосредственно на месте заражения.

Захоронение зараженных диоксинами почв, отходов и оборудования

предложено проводить в геологических пустотах, если нет опасности

загрязнения грунтовых вод; в заброшенных шахтах, выработках и других

укрытиях.

Например, после аварии в Севезо (Италия)было снято 3 млн м

почвы,

загрязненной диоксином ТХДД, и помещено в специальные хранилища,

сооруженные в центральной зоне загрязненного района. Оба хранилища

были выполнены в виде котлована глубиной ~ 9 м и площадью по дну 5000 и

10000 м

: площадь в верхней части 9000 и 20000 м

; вместимостью 80000 и

200000 м

. Фундамент и стенки котлована были покрыты смесью песка,

глины и цемента. Загрязненный материал снизу и сверху был покрыт

полимерной пленкой из полиэтилена толщиной 2,5 мм. В центре и по

периферии котлованов установлены дренажные трубы для сбора воды.

Сверху котлованы были забетонированы и части 9000 и 20000 м

;

вместимость 80000 и 200000 м

. Фундамент и стенки котлована были

покрыты смесью песка, глины и цемента. Загрязненный материал снизу и

сверху был покрыт полимерной пленкой из полиэтилена толщиной 2,5 мм. В

центре и по периферии котлованов установлены дренажные трубы для сбора

воды. Сверху котлованы были забетонированы и покрыты слоем почвы

толщиной 75 см. Такой способ хранения диоксинсодержащих отходов

оказался достаточно эффективным. Однако основные объемы высоко-

токсичных отходов захораниваются на свалках. В результате часть свалок, на

которых складировались отходы хлорных производств, превратились в

мощные источники опасности для населения и природы, Обеззараживание

поверхностей в районе аварии Севезо включало

механическое'соскабливание, промывку раство рителями, вакуумирование

внутренних поверхностей. Остаточные загрязнения изолировались новыми

покрытиями с помощью лакокрасочных материалов. Очистку проводили до

достижения остаточных концентраций на внешних поверхностях ~ 750'нг/м

а на внутренних — до 10 нг/м

Поды, настилы, стены, технические установки типа электрических

трансформаторов очищают в некоторых случаях с помощью

ультрафиолетового излучения мощностью ~ 4600 МВт/см

Предложено несколько способов уничтожения ПХДД и родственных

соединений. Например, дехлорирование хлорорганических соединений, и в

частности диоксинов, которые находятся в отходах и в зараженной почве,

осуществляют с помощью реактива АРЕG — полимерного продукта,

который образуется при взаимодействии этиленгликоля, имеющего

молекулярную массу ~ 440, с твердыми КОН или NаОН. При 90-100 °С этот

реактив разрушает галогенорганические соединения до эфиров и спиртов и

соответствующих шелочных галогенов.Образующиеся продукты не

токсичны.-

Эффективность разрушения составляет 99,41 – 99,81%, а

высокотоксичных ТХДД и ТХДФ 96,24 – 98,6 %.

Представляет интерес разрушение ТХДД методом гетерогенного

фотохимического разрушения.

Например, в Германии разрабатывается методы каталитического

разрушения ТХДД и ТХДФ при невысоких температурах. Нагрев диоксинов

типа ОХДД с порошком меди при 280

С уже через 15 мин приводит к

разрушению диоксинов с эффективностью 99,9999 %.

6.3. Синтетические способы производства пищевых продуктов

Для человеческой популяции лимитирующим фактором для ее роста

может быть отсутствие возможностей по наращиванию производства

продуктов питания, обусловленное изменением климатических условий,

снижением плодородия почв, недостатком площадей для выращивания

продовольственных культур, кормов для животных, пастбищ; истощением

запасов полезных ископаемых.

В России, занимающей общую площадь 17,0Hмлн. км

для

эффективного земледелия пригодны лишь 5,51Hмлн. км

(32,4H%); в КНР -

62,2H%, в Канаде - 36,4H%. Россия - наиболее холодная страна в мире. В

Канаде самые холодные города находятся на широтах Киева или Курска.

Некоторые перспективы в производстве дополнительного количества

белка заложены в микробиологическом методе, на основе культивации масс

бактерий, дрожжей, плесневых грибков или низших водорослей.

Одноклеточный белок, как видно из этих данных, удваивает свою

массу гораздо быстрее традиционных поставщиков белка.

Кроме того, микробиологический белок характеризуется следующими

особенностями:

Время, необходимое для удвоения массы некоторым организмам

Продуценты белка Время удвоения массы

Бактерии и дрожжи 0,3 - 2,0 ч.

Плесневые грибы и водоросли 2 - 6 ч.

Злаки 1 - 2 нед.

Цыплята 2 - 4 нед.

Поросята 4 - 6 нед.

Крупный рогатый скот 1 - 2 мес.

1) Содержит кроме собственно белка (50 - 60H% сухой массы),

другие важные питательные вещества - витамины, углеводы, ферменты,

минеральные соли, липиды и т.д. 1Hт дрожжей способна по пищевой

ценности заменить 7 - 8Hт кормовых злаков.

2) Продуцируется с необычайно высоким эффектом. Например,

ферментационные установки, производящие одноклеточный белок и

занимающие около 3Hкм2 земной поверхности, могут дать 10H% пищевых

продуктов дополнительно к мировым ресурсам. На одинаковых площадях

сине-зеленая водоросль Spirulina дает урожай в 10 раз больше и более

высоким содержанием белка, чем пшеница.

3) В качестве сырья (субстрата) для своего роста микроорганизмы

могут использовать самые разнообразные вещества, включая отходы.

4) Одноклеточный белок способен повысить ценность пищи в

качестве дополнительного компонента для сбалансированности продукта по

аминокислотам. В зерновых злаках, кукурузе и рисе практически

отсутствуют незаменимые аминокислоты: лицин, триптофан, треонин,

метионин.

Таким образом, пищу можно синтезировать с помощью "живых

реакторов" - микроорганизмов. Их питание можно обеспечивать за счет

таких простых веществ как СО

, NH

, H

и Н

О, дешевых углеводородных и

углеводных субстратов из нефти и отходов переработки пищевых продуктов.

В 1985Hг. в Англии создан биопродукт микопротеин ( от греч. мике -

гриб и протеин - белок), изготавливаемый из биомассы грибов рода

Fusarium. По пищевой ценности он не уступает мясу, т.к. содержит около

45H% белков и 13H% растительного жира. Его добавляют в различные

консервы, блюда и полуфабрикаты.

Из водорослей внимание биотехнологов привлекает прежде всего

хлорелла, спирулина и анабена. Последняя используется на рисовых полях,

т.к. ее способность фиксировать азот из воздуха позволяет экономить

искусственные удобрения.

Продуктивность и экономическая эффективность получения

микробиомассы зависит от выбора субстрата, стоимость которого составляет

40 - 50H% затрат на производство белка.

В России микробиологический белок, называемый белково-

витаминным концентратом (БВК или паприн), широко используют в качестве

кормовых добавок в птицеводстве, животноводстве и рыбном хозяйстве.

Выход биомассы, культивируемой на различных субстратах

Субстрат Выход биомассы

на 1 г субстрата, г

н-Алканы 1,0

Метан 6,62

Метанол 0,50

Этанол 0,75

Глюкоза 0,50

Крахмал 0,50

Целлюлоза 0,50

В последнее время остро дискутируется вопрос экологической чистоты

микробиологических заводов. Тяжелое экологическое состояние некоторых

городов (Кириши, Томск, Кременчуг, Новополоцк) экологи связывают с

функционирующими здесь заводами по производству БВК, требуя закрытия

или перепрофилирования последних БВК, однако, по свидетельству

компетентных ученых, может быть опасен для человека лишь тогда, когда

попадает в существенных количествах в нос, глаза, легкие и т.д., т.е. ведет

себя как аллерген, сенсибилизирующий организм (повышающий

чувствительность) аналогично весенней пыльце растений.

Вторая "больная точка", связанная с БВК, получаемым на основе

углеводородов, - проблема остаточных парафинов. Дело в том, что дрожжи,

выращиваемые на жидких углеводородах, содержат в протоплазме

"запасенный" субстрат. Эти захваченные клеткой парафины необходимо

удалять, т.к. они представляют серьезную опасность, загрязняя кормовой

белок и делая его токсичным. Дополнительный этап в производстве БВК -

стадия дозревания дрожжей, когда они, будучи "посаженными на диету",

вынуждены расходовать запасенные углеводороды, - позволяет решить эту

проблему.

Таким образом, необходимо усовершенствовать саму технологию

производства, сделав ее герметичной, не допуская выбросов и подвергая

дополнительно специальной обработке кормовой концентрат. Рассчитывать

здесь (опять-таки) приходится на ответственность и экологическую

образованность человека.

Микроорганизмы используются биотехнологами не только для

получения пищевого белка. Они служат также поставщиками других

полезных человеку веществ:

алкалоидов;органических кислот;

аминокислот; пигментов;

антибиотиков; полисахаридов;

антиоксидантов; ферментов;

витаминов; фитогормонов;

нуклеозидов фармакологических

и нуклеотидов препаратов и др.

Вопросы, связанные с использованием микроорганизмов, или

продуцентов важного химического сырья, изучаются биотехнологией и

выходят за рамки настоящего пособия.

Отметим только, что эта область науки, как и многие другие, смежные

с ней, базируется, в том числе и на знаниях экологического и

биохимического характера. Достаточно вспомнить тот факт, что

микроорганизмы успешно используются для детоксикации промышленных и

бытовых отходов. Кроме того, они могут служить отличными индикаторами

чистоты окружающей среды в системе экологического контроля и

мониторинга.

При выборе одного из двух возможных путей синтеза того или иного

полезного вещества: химического синтеза (в реакторе) или биосинтеза (с

использованием живой клетки) человек должен учитывать важные факторы -

экологической чистоты и безопасности производства.

Вопросы дл самоконтроля

1. Каковы основные действия человека, направленные на повышение

продуктивности природных и искусственных экосистем?

2. Составьте список (или схему) важнейших источников энергии, идущей на

обеспечение потребностей человека?

3. От чего зависит плодородие почвы?

4. Какие виды загрязнения почв вам известны?

5. В чем опасность загрязнения почв?

6. С чем связано сильное загрязнение почв вблизи промышленных

предприятий?

7. Какие вам известны основные требования управления эксплуатацией

минеральных ресурсов?

8. В чем вред передозировки азотных удобрений?

9. Почему перед человечеством стоит проблема овладения новыми

источниками энергии?

10.Массовое использование азотсодержащих удобрений может привести

к повышению содержания NO в тропосфере. Поясните, как это может

изменить условия жизни на Земле. Какие меры здесь можно предпринять?

11.В глубоких слоях почвы содержание О

уменьшается, а СО

увеличивается. В связи с этим в почве на разных глубинах существуют

анаэробные и аэробные условия и приспособленные к этим условиям формы

жизни. Какие это формы? Какова их роль в почвенных экосиистемах?

12 В США производство сахара потребовало затрат энергии,

эквивалентных 2х10

галлонам нефти (1 гал = 3,8 л ). Теплотворная

способность нефти считается равной 46 кДж/г; ее плотность равна 0,90 г/см

Вычислите полный расход энергии в сахарной промышленности в США.

13. Превращение Na

10H

(тв)

_Na

10H

(ж)

происходит при 32

С.

Оно используется для запасания солнечной энергии. Днем солнечные лучи

нагревают емкость, содержащую Na

10H

(тв)

и, когда это вещество

нагревается выше 32

С, в нем происходят фазовое превращение, которое

сопровождается поглощением теплоты. Ночью при остывании, процесс

протекает в обратную сторону с выделением теплоты. Вещество в правой

части уравнения можно рассматривать, как водный раствор, содержащий 1

моль сульфата натрия в 10 молях воды. Используя следующие данные о

теплотах образования : Na

10H

(тв)

ΔΗ

обр

= - 4324 кДж/моль; Na

4(водн)

ΔΝ

обр

= -1387 кДж/моль; Н

(ж)

ΔΗ = - 286 κΔζ / μξль, вычислите количество

теплоты, которое выделяется в расчете на один килограмм исходной соли в

обратном процессе ( идет ночью) Какая масса Na

10Н

О потребуется,

чтобы получить энергию в 6,3х10

кДж, приблизительно равную трети

энергии, затрачиваемой в среднем ежедневно на обогрев небольшого дома в

районе Краснодара.

14. Запасы угля в РФ, доступные для добычи средствами современной

техники, составляют приблизительно 2,5х10

тонн. Полагая, что средняя