Влияние кислотных осадков на экосистемы

Уже более ста лет кислотные осадки признаются серьезной проблемой в индустриальных и прилегающих к ним районах, но их влияние на экосистемы было отмечено только около 35 лет назад, когда рыбаки заметили резкое сокращение популяций рыбы во многих озерах Швейцарии, провинции Онтарио (Канада) и гор Адирондак (штат Нью-Йорк). Шведские ученые первыми определили, что все дело в повышенной кислотности воды, и связали ее с ненормально низкими значениями рН осадков. С тех пор выяснились различные пути разрушительного влияния кислотных осадков на экосистемы:

Схема возможных направлений влияния кислотных осадков на окружающую среду и человека.

Влияние на водные экосистемы. Значение рН среды чрезвычайно важно, т.к. от него зависит деятельность практически всех ферментов, гормонов и других белков в организме, регулирующих метаболизм, рост и развитие. Особенно подвержены влиянию рН яйцеклетка, сперма и молодь. У пресноводных озер, ручьев и прудов рН воды обычно составляет 6-7, и организмы адаптированы именно к этому уровню. При изменении рН воды всего лишь на одну единицу по сравнению с оптимумом они в большинстве случаев испытывают серьезный стресс и часто погибают.

Наиболее очевидное влияние кислотные осадки оказывают на водные экосистемы. В пресноводных водоемах рН воды обычно равен 6 - 7. Снижение рН до 5 приводит к постепенному вымиранию рыб. Однако нельзя считать, что взрослая рыба просто погибает в большом числе из-за повышенной кислотности воды в этих озерах. На самом деле сильно закисленные воды не позволяют рыбе нормально размножаться. Самки могут оказаться не способными выметать икру в кислой воде, если же икра все-таки попадает в воду, то она либо погибает, либо из нее вылупляются нежизнеспособные мальки.

Во многих районах, где количество рыбы уменьшилось вследствие кислотных дожей, наблюдались очень холодные зимы с обильными снегопадами. При таянии окрестных снегов подкисленная вода стекает в озера, что приводит к резкому увеличению кислотности. Таяние снегов и повышение кислотности по времени совпадают с нерестом рыб. Таким образом, вымеченная икра попадает в максимально кислую воду, которая наблюдается в течение года. Можно предположить, что по мере сокращения численности рыбы будет уменьшаться и численность тех видов животных, которые питаются рыбой, таких, как белоголовый орлан, гагары, скопа, а также выдра, норка и др.

Из-за воздействия кислотных дождей может сокращаться численность лягушек, жаб и тритонов. Многие из этих видов размножаются во временных водоемах, возникающих в период весенних дождей; вода в них может быть даже более кислой, чем в озерах, поскольку эти временные водоемы образованы только дождевой водой с повышенной кислотностью.

Когда среда водных экосистем подкислена, практически все организмы быстро вымирают, если не из-за прямого воздействия ионов Н+, то из-за невозможности размножения. Влияние кислотных осадков на экосистемы иногда усиливается в период таяния снегов, когда все накопившиеся за зиму кислотные осадки устремляются в ручьи и реки как раз в период размножения большинства организмов.

Дополнительный ущерб возникает в связи с тем, что кислотные осадки, просачиваясь сквозь почву, способны выщелачивать алюминий и тяжелые металлы. Обычно присутствие этих элементов в почве не создает проблем, так как они связаны в нерастворимые соединения и, следовательно, не поглощаются растениями. Однако при низком значении рН их соединения растворяются, становятся доступными и оказывают сильное токсическое воздействие, как на растения, так и на животных. Например, алюминий, довольно обильный во многих почвах, попадая в озера и реки, вызывает аномалии развития и гибели эмбрионов рыбы.

Влияние на леса. Кислотные дожди отрицательно воздействуют не только на животных, но и на растения. Опыты с моделированием кислотных дождей в теплицах продемонстрировали, что кислоты нарушают защитный восковой покров листьев, делая растения более уязвимыми для насекомых, грибов и других патогенных организмов.

Анализ воды дренирующих различные природные угодья при неодинаковых условиях показал, что кислотные осадки значительно увеличивают выщелачивание биогенов. Ионы водорода легко вытесняют их ионы с частиц почвы и гумуса. Кроме того, при низких значениях рН понижается активность редуцентов и азотфиксаторов, что еще более обостряет дефицит биогенов. Все эти обстоятельства могут вызвать дефицит биогенов, а значит, замедление роста деревьев и их уязвимость для естественных врагов и засух.

Кроме того, при поглощении почвами кислотный дождь выщелачивает соли калия, кальция, магния и, унося их в подпочвенный слой, лишает растения необходимых им питательных веществ.

Многие растения очень чувствительны к алюминию. Кислотные осадки влияют на содержание алюминия в почве, а он является элементом, токсичным для растений и животных. Этот элемент широко распространен: он присутствует в значительных количествах во многих горных породах и почвенных минералах. В естественных условиях соединения алюминия практически не растворимы, т.е. присутствует в недоступной для растений форме в фазе почвенных минералов и поэтому безвредны. Подкисление переводит алюминий в растворенное состояние, в котором он доступен растениям и может в них накапливаться, оказывая токсическое действие.

Этот процесс называется мобилизацией, в данном случае алюминия. Другие токсичные элементы, в том числе ртуть и свинец, также могут мобилизоваться при подкислении среды. Всё это может привести к замедлению роста и гибели деревьев.

Снижение буферной ёмкости. Защитить систему от изменения рН при добавлении кислоты может буфер. Так называется вещество, способное поглощать или высвобождать ионы водорода при данном значении рН. Когда в систему, содержащую буфер, добавляют кислоту, дополнительные ионы водорода им поглощаются и рН остаётся практически неизменным.

Многие водоемы и почвы в качестве буфера содержат известняк (СаСОз). Озера, в подстилающих породах которых присутствует известняк (осадочная порода, состоящая из карбоната кальция СаСО3), “сопротивляются” закислению воды в них, поскольку карбонат кальция нейтрализует кислоту:

H2SO4 + CaCO3 = CaSO4 + H2O + CO2 .

Фермеры давно используют известь для нейтрализации кислых почв. Садовники охотно применяют для тех же целей яичную скорлупу, раковины устриц, также состоящие из карбоната кальция.

Почвы, так же как и водоемы, по-разному реагируют на выпадение кислотных осадков. Чем больше в почве содержится карбоната кальция, тем меньше она подвержена закислению.

Однако возможности любого буфера ограничены. Известь, например, просто расходуется, реагируя с кислотой. Поэтому говорят о буферной емкости системы. Когда она исчерпана, дополнительные ионы водорода остаются в растворе и происходит соответствующее понижение рН среды.

При одинаковом количестве кислотных осадков в первую очередь подкисляются и гибнут экосистемы с низкой буферной емкостью, а те, у которых она действительно высока, не страдают.

Влияние на людей и изделия. Одно из наиболее ощутимых последствий кислотных осадков - разрушение произведений искусства. Известняк и мрамор - излюбленные материалы для оформления фасадов зданий и сооружения памятников. Под действием кислотных дождей ускоренно корродируют металлоконструкции, нарушается целостность лакокрасочных покрытий, разрушаются здания и памятники архитектуры. Памятники и здания, простоявшие сотни и тысячи лет лишь с незначительными изменениями, сейчас растворяются и рассыпаются в крошево. Кислотные осадки разрушают строительные материалы, образованные карбонатом кальция (мрамор, известняк и др.). При взаимодействии с серной кислотой карбонат кальция превращается в гипс (СaSO4.2О), который легко крошится, нарушая целостность конструкции:

 

Н2О

H2SO4 + CaCO3 = СаSO4 .2H2O + CO2 .

 

Более того, мобилизация кислотными осадками алюминия и других токсичных элементов может привести к загрязнению как поверхностных, так и грунтовых вод. Как показано недавно, алюминий способен вызывать болезнь Альцгеймера, разновидность преждевременного старения.

Однако если выпадение кислотных осадков будет и в дальнейшем продолжаться в прежнем объеме, гораздо большее воздействие на человечество окажут потери озер и лесов, их экономической, экологической и эстетической ценности, а также последствия усиленной почвенной эрозии. Очевидно, что отсутствие приемлемой стратегии борьбы с этими осадками подрывает основы устойчивого развития общества.

Для предупреждения опасного воздействия кислотных осадков на экосистемы и антропогенные сооружения необходимо добиваться снижения выбросов в атмосферу оксидов серы и азота.

 

Радиоактивность

 

Цель работы: получение навыков использования дозиметра.

 

Радиоактивность – это способность ядер некоторых химических элементов самопроизвольно распадаться с образованием новых химических элементов и испусканием ионизирующего излучения.

Ионизирующими называют такие излучения, которые, проходя через среду, вызывают ее ионизацию. Энергию ионизирующего излучения измеряют в электрон-вольтах.

1 эВ = 1,6*10-19 Дж

По своей природе излучение бывает фотонным (γ- и рентгеновское) и корпускулярным (β-, α-, протонное и нейтронное).

 

Активность источника радиоактивного излучения характеризуется числом ядерных превращений в единицу времени и выражается в беккерелях:

1 Бк = 1 распад в секунду

Поле, создаваемое источником ионизирующего излучения, имеет следующие характеристики:

  1. Экспозиционная доза рентгеновского и гамма-излучения D0. Это соотношение суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, созданных в воздухе, когда все электроны или позитроны, освобожденные фотонами в объеме воздуха массой dm полностью остановились, к массе воздуха: D0 = dQ / dm [Кл/кг];
  2. Мощность экспозиционной дозы. Это приращение D0: P0 = dD0 / dt [А/кг].

Поглощение энергии излучения объектами неживой природы характеризуется следующими параметрами:

  1. Поглощенная доза излучения D. Это энергия ионизирующего излучения dE, поглощенная массой облучаемого вещества dm: D = dE / dm [Гр], грей;
  2. Мощность поглощенной дозы: P = dD / dt [Гр/с].

При характеристике поглощения облучения биологическими объектами используют следующие понятия:

  1. Эквивалентная доза H. Введена для оценки возможного ущерба здоровью человека от хронического воздействия излучения произвольного состава. Это произведение поглощенной дозы на коэффициент, учитывающий биологическую эффективность излучения. Измеряется в зивертах, Зв;
  2. Мощность эквивалентной дозы, Зв/с;
  3. Эффективная эквивалентная доза. Сумма произведений эквивалентной дозы, полученной каждым органом и соответствующего весового коэффициента, учитывающего различную чувствительность органов к излучению.

 

Во всех естественных биотопах всегда наблюдается определенный естественный уровень радиации, даже при отсутствии каких-либо естественных источников. Земная поверхность служит источником многих видов излучения так как она содержит различные природные радиоактивные элементы: уран, торий, радий, актиний, встречаются радиоактивные изотопы 40К и 14С, радиоактивный инертный газ радон 232Rn и 219Rn. Вся биосфера подвергается воздействию излучений, приходящих из космоса: протонов, α-частиц, ядер тяжелых элементов.

Антропогенное изменение радиационной обстановки в биосфере связано в основном с ядерными испытаниями, местами захоронения ядерных отходов и объектами ядерной энергетики.

 

Человек в нормальных условиях подвергается облучению от малоинтенсивных естественных и техногенных источников излучения, которые воздействуют извне и изнутри. Среднегодовая ЭЭД от космического излучения составляет 0,37 мЗв, от земной коры – 0,3 мЗв, от внутренних источников из тела человека – 0,4 мЗв, от радона – 1,3 мЗв, итого – 2,4 мЗв. Нормальный радиационный уровень, соответствующий естественному фоновому излучению – 0,15 мкЗв/ч, допустимый – 0,6 мкЗв/ч. Внешний радиационный фон увеличивается за счет научно-технической деятельности человека.

 

Воздействия ионизирующей радиации на живые организмы можно разбить на две группы: соматические и зародышевые (генетические). Первая группа затрагивает физиологию отдельной особи, второй – влияют на гаметогенез, что объясняет мутационное воздействие радиации. Сильные дозы радиации вызывают гибель облученных особей. Изучение зависимости числа погибших особей от полученной дозы радиации показывает, что существует порог, ниже которого особи кажутся непострадавшими, это сублетальные дозы, однако их нельзя считать безвредными. Они оказывают значительные соматические и генетические воздействия:

  1. облученный организм ослабляется;
  2. снижается долголетие и прирост популяции;
  3. поражаются гены;
  4. оказывается кумулятивное действие, вызывая необратимые эффекты.

Чувствительность организмов к облучению тем больше, чем выше их организация.

Экосистемы

Экосистема- это любая совокупность взаимодействующих живых организмов и условий среды. Экосистемами являются, например, муравейник, участок леса, географический ландшафт или даже весь земной шар.

Экосистемы состоят из живого и неживого компонентов, называемых соответственно биотическим и абиотическим.Биотический компонент по типу питания подразделяют на автотрофные и гетеротрофные организмы.

Автотрофы синтезируют необходимые им органические вещества из неорганических. По источнику энергии для синтеза они разделяются на два типа: фотоавтотрофы и хемоавтотрофы.

Фотоавтотрофы для синтеза органических веществ используют солнечную энергию. Это зеленые растения, имеющие хлорофилл ( и другие пигменты) и усваивающие солнечный свет. Процесс, при котором происходит его усвоение, называется фотосинтезом.

Хемоавтотрофы для синтеза органических веществ используют химическую энергию. Это серобактерии и железобактерии, получающие энергию при окислении соединений железа и серы. Хемоавтотрофы играют значительную роль только в экосистемах подземных вод. Их роль в наземных экосистемах сравнительно невелика.

Гетеротрофы используют органические вещества, которые синтезированы автотрофами, и вместе с этими веществами получают энергию. Гетеротрофы, таким образом, зависят в своем существовании от автотрофов и понимание этой зависимости необходимо для понимания экосистем.

Гетеротрофами являютсяхищники, паразиты. К гетеротрофным организмам относится также группа сапрофитов,которые используют для питания органические соединения мертвых тел или выделения животных.