Использование воды в мире

Ресурсы пресных вод Земли формируются в процессе глобального круговорота воды, который является опреснителем вод и способствует их непрерывному возобновлению. При кажущемся обилии воды на планете пресная вода составляет всего 3 % от общих запасов, причем 3/4 пресной воды составляют льды Арктики и Антарктиды. Пятую часть составляют подземные воды. Лишь 1 % циркулирует в реках и озерах.

Общее потребление пресных вод из года в год возрастает во всех регионах мира. Если в начале нашего столетия человечество потребляло 400 км3 воды в год, то ныне нам ежегодно необходимо уже около 4000 км3, т.е. около 10 % объема мирового речного стока.

По регионам мира использование водных ресурсов сильно варьирует. Указанный процент отражает отношение количества воды, используемой на хозяйственные нужды, к запасам местных водных ресурсов.

В результате постоянно растущего водопотребления происходит истощение ресурсов пресных вод за счет загрязнения источников пресных вод, безвозвратного расходования воды. Необходимо рассмотреть основные виды мирового водопотребления и его экологические последствия.

Орошение являлось основой жизни в Древнем Египте, Месопотамии, Индии, Китае. Орошаемое земледелие как в древности, так и теперь является главным водопотребителем.

Со второй половины нынешнего столетия начался качественно новый этап в развитии орошения, характеризующийся существенным ростом орошаемых площадей, расширением их географии. В результате в настоящее время практически нет стран, где бы ни применялось орошение. Наибольшей орошаемой площадью располагает Азия. Здесь практически во всех странах используется орошение. На юге и востоке континента сосредоточены основные массивы орошаемых земель, большая часть которых используется для выращивания риса.

Другим видом водопотребления является коммунально-бытовое водопотребление. Этот вид расходования водных ресурсов связан с потреблением воды населением городов и сельской местности. При этом особые требования предъявляются к качеству воды.

В настоящее время суммарный объем потребляемой населением воды превысил 250 км3 в год. Но лишь 4 % населения земного шара пользуются водой в достаточном количестве,* т.е. около 300– 400 л/сутки на человека (из которых 10 % доброкачественная питьевая вода), а для 2/3 населения, сосредоточенных главным образом в Африке и Азии, удельное потребление воды в 10 раз меньше.

По данным международной конференции в Рио-де-Жанейро(1992 г.), в развивающихся странах каждый третий житель страдает от недостатка питьевой воды. 80 % всех болезней и 1/3 всех смертных случаев в них вызваны потреблением загрязненной воды. Поэтому важной проблемой становится обеспечение всех жителей планеты доброкачественной питьевой водой за счет рационального ее использования. Весьма показателен такой пример. По оценкам американских экспертов, в США в среднем потери питьевой воды, связанные с ее утечкой из водопроводов, составляют около 120 л в сутки на человека.

Эта величина соответствует суммарному среднесуточному потреблению воды одного жителя Индии и Китая.

В настоящее время на нужды промышленности и энергетики расходуется 760 км3 воды, что уступает только орошению. Суммарные оценки современного и будущего расходования воды в промышленности и энергетике представлены в таблице 4.2.

Объемы потребления воды в промышленности весьма различаются по отраслям. Так, на производство 1 т хлопчатобумажных тканей расходуется 250 м3 воды, а для выпуска 1 т синтетического волокна – 2500 – 5000 м3 воды. Очень много воды расходуется в производстве цветных металлов: выплавка 1 т никеля требует 4000 м3 воды. Наибольшее количество воды расходуется в промышленности США – 260 км3/год, что составляет почти треть суммарного мирового расходования. По прогнозам ученых, к концу XX в. водозабор в странах Азии, Африки, Латинской Америки возрастет в 3–5 раз, а в экономически развитых странах – лишь на 10–25 %, поскольку их водные ресурсы истощены как количественно, так и качественно.

Всего на земном шаре к настоящему времени сооружено свыше 30 тыс. водохранилищ, суммарный объем которых составляет около 6 тыс.км3. Общая площадь водохранилищ мира составляет 400 тыс.км2, что соответствует территориям таких государств, как, например, Норвегия, Марокко, Парагвай.

С поверхности водохранилищ испаряется значительное количество воды – до 240 км3. Для Африканского континента в целом этот вид расходования воды прочно удерживает второе место после орошения, превышая в 5 раз по абсолютной величине промышленное водопотребление.

Суммарное использование водных ресурсов превысило 3500 км3. Основное водопользование – орошаемое земледелие. Необходимым является определение основных путей охраны водных ресурсов в процессе их использования. Главным в охране водных ресурсов должна стать борьба с причинами загрязнений, а не с их последствиями, преобладающая ныне. Именно такой подход предусматривает интересы современного и особенно будущего поколения.

Современная стратегия охраны вод, ориентированная на нейтрализацию сточных вод очистными сооружениями, рано или поздно заведет мировое сообщество в тупик. Ведь, для того чтобы нейтрализовать даже хорошо очищенную сточную воду, необходимо иметь в водных объектах, куда сбрасываются стоки, чистую воду, обеспечивающую разбавление стоков как минимум в 10–12 раз. Только в этом случае естественный процесс самоочищения может справиться с доочисткой. Некоторые виды очищенных сточных вод требуют разбавления в 40–50-кратном количестве.

Вместе с тем ряд технологических мер должен служить ориентирами для рационального использования ресурсов вод всех стран мира.

В XXI веке вода стала лимитирующим фактором для существования человечества. В таблице 4.3. приведены данные о подушевом потреблении воды современного человека.

4.Использование воды в РК

Причины, источники и последствия загрязнения воды

Следует отметить, что в общем причины загрязнения среды делятся на объективные и субъективные. К объективным относятся:

Во-первых, ограниченные способности живой природы к самоочищению и саморегуляции. Внутренние возможности природной среды не позволяют перерабатывать все возрастающие масштабы отходов хозяйственной деятельности человека, и их накопление создает угрозу глобального загрязнения окружающей среды.

Во-вторых, ограниченность природных ресурсов. Запасы полезных ископаемых – каменного угля, нефти и других постепенно расходуются и перестают существовать. Все более актуальными становятся задачи по изысканию альтернативных источников энергии.

В-третьих, безотходность процессов в природной среде и большое количество отходов человеческого производства. Природные процессы осуществляются по замкнутому циклу. «Подсчитано, что для жизнедеятельности человека необходимо в год расходовать не менее 20 т природных ресурсов. Из них лишь 5 – 10 % идут на продукцию, а 90 – 95 % поступают в отходы» (Петров В.В., 1995). Отходы человеческого производства загрязняют окружающую среду вредными, несвойственными для нее веществами. Это ведет к преждевременному истощению и, в конечном счете, к разрушению природных систем. К субъективным причинам загрязнения относятся:

Во-первых, недостатки организационно-правовой и экономической деятельности государства по охране окружающей среды. Во-вторых, дефекты экологического воспитания и образования.

Человек родился и вырос на потребительской психологии по отношению к природе. Он всегда рассматривал природу как источник своего существования, как ресурс, а не как объект его забот и охраны. Это проявляется через экологическое невежество (нежелание изучать законы взаимосвязи человека и окружающей среды) и экологический нигилизм (нежелание руководствоваться этими законами), т.е. пренебрежение знанием и использованием экологических закономерностей в общении человека и окружающей среды.

Главные водопотребители и водопользователи являются источниками загрязнения гидросферы. Промышленность, сельское хозяйство, коммунально-бытовое хозяйство, транспорт, рекреация влияют на состояние водоемов.

Выделяют несколько видов загрязнения водоемов: химическое, биологическое, физическое. Химическое загрязнение – это загрязнение водоемов нефтью и нефтепродуктами, металлами и их солями, поверхностно-активными веществами, кислотами и щелочами. Биологическое загрязнение – это загрязнение вирусами, бактериями, болезнетворными организмами, водорослями и т.д. К физическому загрязнению относится тепловое и радиоактивное, содержание в воде взвешенных твердых частиц, шлама, песка, ила, глины. Основными факторами химического загрязнения водоемов и водотоков являются следующие:

1. сброс сточных вод промышленности и коммунально-бытового хозяйства;

2. поступление с суши применяемых в сельском и лесном хозяйстве веществ (удобрений, пестицидов);

3. утечка веществ при работе транспорта и авариях;

4. разработка полезных ископаемых на морском дне;

5. захоронение вредных отходов в водоемах;

6. поступления загрязняющих веществ из атмосферы.

Наиболее интенсивно загрязняют поверхностные воды такие отрасли промышленности, как металлургия, химическая, нефтеперерабатывающая, целлюлозно-бумажная. Различают минеральное и органическое загрязнение сточных вод. При минеральном загрязнении сточные воды содержат соли, кислоты, щелочи и другие минеральные вещества. В промышленных стоках содержится 40 % минеральных веществ и 60 % веществ органического происхождения. К веществаморганического происхождения относятся растительные волокна, животные и растительные жиры, остатки плодов и овощей, отходы целлюлозно-бумажной, кожевенной, пищевой промышленности. Сточные воды с этими веществами являются причиной органического загрязнения водоемов.

Из отраслей сельского хозяйства интенсивно загрязняет водоемы растениеводство, благодаря применению удобрений и пестицидов. Около четверти азотных удобрений, треть калийных и 4 % фосфорных удобрений попадает в водоемы. Если в незагрязненных реках средний уровень содержания нитратов составляет 100 мг/л, то в Западной и Центральной Европе – 4500 мг/л, концентрация фосфора в реках этого региона в 2,5 раза выше, чем в незагрязненных водоемах. Возрастание концентрации биогенов приводит к эвтрофикации водоемов. Эвтрофирование (эвтрофикация) – повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления в воде биогенных элементов под действием антропогенных или природных факторов. Биогенные элементы – это химические элементы, необходимые для поддержания жизни. Например, повсеместно в Европе наблюдается эвтрофикация поверхностных вод. Анализ проб воды показал, что в 8–28 % проб отмечено повышенное содержание нитратов, превышающее национальные нормы. В грунтовых водах такие превышения содержат в 4–18 % проб, в частных колодцах – в 11 % проб, в системах коммунального водоснабжения в 0–2,8 % проб. При эвтрофикации увеличивается количество сине-зеленых водорослей, уменьшается количество О2 и возрастает СО2 и СН4, происходит вторичное загрязнение водоемов токсическими веществами (которое выделяют сине-зеленые водоросли), увеличивается растворимость карбонатов, что вызывает гибель кораллов и других скелетных форм бентоса. В результате эвтрофикации водоемов происходит изменение видового состава рыб в следующей последовательности: лососевые – сиговые – корюшковые – окуневые – карповые. При этом более ценные рыбы заменяются менее ценными.

На экологическое состояние водоемов влияет животноводство. Свиноводческий комплекс на 100 тысяч голов может загрязнять реку так же, как город с полумиллионным населением. Навоз и навозные стоки, попадая в поверхностные и грунтовые воды, вызывают:

1. загрязнение воды патогенными и другими микроорганизмами, яйцами гельминтов; 2. насыщение воды органическими веществами;

3. насыщение воды азотистыми и другими веществами (нитратами, нитритами, фосфором);

4. обсеменение рыб и других водных животных микроорганизмами.

Сточные воды животноводческих комплексов содержат много бактерий кишечной группы, которые живут длительное время: сальмонеллы – 2,5 года, микроорганизмы туберкулеза – 475 дней и др.

Источником загрязнения водоемов являются газопылевые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу. В развитых промышленных странах с атмосферными осадками в почву, в поверхностные и грунтовые воды поступает ежегодно 3–20 кг/га нитратов. Плотность выпадения аммонийного азота на европейской территории России оценивается в среднем 0,3 т/км2, серы от 0,25 до 2 т/км2.

Одним из видов загрязнений водоемов является тепловое. Этот вид загрязнения связан со сбором в водоемы нагретых вод, используемых в промышленности. Например, на площадке Кольской атомной станции, расположенной за Полярным кругом, через 7 лет после начала эксплуатации температура подземных вод повысилась с 6оС до 19оС вблизи главного корпуса. По существующим санитарным нормам температура водоема не должна повышаться более чем на 3оС летом и 5оС зимой, а тепловая нагрузка на водоем не должна превышать 12–17 кДж/м3. Тепловое загрязнение водоемов влияет на состояние биоты.

Увеличение температуры воды приводит к нарушению условий нереста рыб, повышению их зараженности теплолюбивыми видами паразитов и т.д. Интенсивность влияния теплового загрязнения зависит от температуры нагревания воды. Для летнего периода установлена характерная последовательность воздействия повышенных температур воды на биоценоз озер и искусственных водоемов: при температуре до 26оС не наблюдается вредного воздействия; в пределах температуры 26–30оС наступает состояние угнетения жизнедеятельности рыб; при температуре свыше 30оС наблюдается вредное воздействие на биоценоз; при температуре 34–36оС создаются летальные условия для рыб.

Последствия загрязнения гидросферы разнообразны, происходят изменения:

1) физических свойств воды (прозрачности и окраски, появление запахов и привкусов);

2) химических свойств (накопление загрязняющих веществ; образование плавающих загрязнений на поверхности водоемов, взвешенных в толще водоемов и отложения на дне);

3) газового состава (уменьшение количества растворенного О2, увеличение количества СО2, СН4). Уменьшение О2 происходит за счет окисления им органических веществ;

4) изменение состояния биоты: эвтрофикация водоемов, накопление химических токсикантов в биоте и мутагенное ее изменение; снижение биологической продуктивности водоемов; появление новых бактерий (в т.ч. болезнетворных); нарушение структуры пищевых цепей.

Загрязняющие вещества подразделяются на четыре класса в зависимости от показателя токсичности (в данном случае от локальной концентрации – ЛК):

• чрезвычайно опасные (ЛК5о< 0,5 мг/л);

• высокоопасные (ЛКзо < 5 мг/л);

• умеренно опасные (ЛК5о < 50 мг/л);

• малоопасные (ЛК5о> 50 мг/л).

Загрязняющие природную среду вещества подразделяются также по их агрегатному состоянию на четыре класса: твердые жидкие, газообразные и смешанные.

Кроме того, промышленные выбросы в окружающую среду могут классифицироваться и по другим признакам.

По организации контроля и отвода – на организованные и неорганизованные.

Организованный промышленный выброс – это выброс поступающий в окружающую среду (воздушный и водный бассейны) через специально сооруженные газоходы, водоводы и трубы. Иначе говоря организованный выброс можно назвать точечным источником – это одиночное место, которое может быть идентифицировано как источник загрязнения. Примерами может служить сточная труба по отношению к водотоку или водоему, крупное предприятие, город и т.п. Мониторинг точечных источников загрязнения значительно легче осуществлять, чем диффузных.

Неорганизованный промышленный выброс – это выброс в окружающую среду в виде неправильных самопроизвольных водных или газовых потоков, образующихся в результате несовершенства технологического оборудования или нарушения его герметичности, отсутствия или неудовлетворительной работы оборудования по отсосу газов или отводу загрязненной воды в местах загрузки и хранения сырья, материалов, отходов, готовой продукции, например, пыление отвалов пустой породы, нерегулируемый поверхностный сток промышленных предприятий. К таким выбросам можно отнести диффузные выбросы, которые не имеют легко устанавливаемой привязки к определенному месту. Они поступают сразу на большой площади, как, например, в случае с кислотными дождями, выпадающими сразу на площади водосборного бассейна, биогенными элементами, образующимися из удобрений и просачивающимися из почвы на значительной длине реки. Примером диффузного загрязнения может служить и поступление загрязняющих веществ с выхлопами автомобильных двигателей.

По режиму отвода – на непрерывные и периодические. Так, отвод доменного газа считается непрерывным, а отвод конвертерного газа – периодическим.

По температуре – когда температура потока (газового, водяного или смешанного) выше, ниже или равна температуре окружающей среды.

По локализации – выбросы происходят в основном, вспомогательном, подсобном производствах, на транспорте и т.д.

Понятие о загрязняющих веществах, типы загрязняющих веществ

Любая деятельность любой системы, направленная на поддержание организованности внутри нее, вызывает снижение организованности вне системы. Системы существуют за счет экспорта энтропии вовне. Для неравновесной динамической системы, каковыми являются все биологические системы, существовать, не нарушая ничего в мире, невозможно. Это относится и к любому живому организму, и к надорганизменному образованию, и к человеческому обществу. Необходимо различать нарушения окружающей среды, производимые человеком как биологическим объектом, и нарушения окружающей среды, производимые человеком, как частью созданной им техносферы (Петров, 1998).

Прежде чем говорить о загрязнении, следует определиться с тем, что мы будем понимать под этим словом. Интуитивно каждый понимает – что такое загрязнение, но когда речь заходит о том, чтобы дать четкое его определение, мы сталкиваемся с множеством формулировок. Несколько примеров:

Наиболее приемлемым остается, все-таки, давно известное человечеству понимание того, что «загрязнение – все то, что не в томместе, не в то время и не в том количестве, какое естественно для природы, что выводит ее системы из состояния равновесия, отличается от обычно наблюдаемой нормы и/или желательного для человека» (Реймерс, 1998).

Исследователями разрабоано множество классификаций загрязнений. Среди них следует ометить:

По объектам: загрязнение вод (поверхностных и подземных), загрязнение атмосферы, загрязнение почв, загрязнение космического пространства и т. п.

По масштабам: локальное, региональное, глобальное.

По природе действующих факторов: физическое, химическое, биологическое.

Большинство загрязнителей – химические вещества, возникающие в качестве побочных продуктов или отходов добычи, переработки и использовании ресурсов. Имея в виду то, что предметом изучения данного курса является именно «Химия окружающей среды», в первую очередь и наиболее подробно остановимся на химических загрязнениях, которые наиболее влияю на качество природных вод и экосистем водотоков и водоемов. В настоящее время в повседневном использовании в мире применяется около 80 000 синтетических веществ. В ходе промышленного и сельскохозяйственного производства образуется порядка 100 000 веществ. Так или иначе, все эти вещества попадают в окружающую среду. Для того чтобы можно было охватить все многообразие загрязняющих химических агентов в среде, нам необходима классификация (рис. 4.3.).

Загрязнители чрезвычайно разнообразны и, по самому определению, один источник загрязнения может давать большое число загрязнителей. Можно различать несколько разных типов загрязнителей, хотя это деление достаточно условно и многие загрязнители могут быть отнесены к нескольким типам. Можно классифицировать загрязняющие вещества по их поведению в окружающей среде.

Разложимые биологически вещества – те, которые подвергаются атаке микроорганизмов, ведущей к их деградации и полному удалению. Обычно это – отходы жизнедеятельности организмов и включают наиболее распространенные загрязнители: хозяйственно-бытовые стоки. Сюда же можно отнести стоки сельского хозяйства и пищевой промышленности. Поскольку эти вещества являются подходящим субстратом для микробной активности, биоразложимые вещества остаются в активном состоянии до тех пор, пока они не захораниваются достаточно глубоко в осадки или не разлагаются полностью.

Биологически неразложимые вещества не изменяются под действием микроорганизмов. Инертные загрязнители, такие как твердые частицы, тяжелые металлы, многие синтетические органические вещества сохраняются в окружающей среде в неизменной форме, несмотря на то, что они могут растворяться или транспортироваться.

Химически разложимые вещества, такие как, например, кислоты, уничтожаются в ходе химических реакций в окружающей среде.

Основными факторами, определяющими тяжесть воздействия загрязняющих веществ, являются:

• их биологическая активность (сила токсического или другого воздействия на биоту);

• концентрация;

• время жизни в среде или устойчивость.

Одна из причин, по которым отвергается определение загрязнения как «связанного с человеческой деятельностью» – то, что загрязнители попадают в окружающую среду не только в результате деятельности человека, но и «естественным путем».

Природное загрязнение окружающей среды включает в себя и естественные природные катастрофы. Наиболее яркими примерами здесь могут служить извержения вулканов. При этом необходимо помнить, что вулканическая активность обеспечивает и возврат в круговорот биосферы химических элементов из мантии Земли. Можно упомянуть и космические катастрофы.

Многие вещества, рассматриваемые в данном курсе как загрязнители, поступают в окружающую среду, как в результате техногенной активности, так и из природных источников. Биогенные вещества (главным образом соединения азота и фосфора) – важнейшие компоненты бытовых и сельскохозяйственных сточных вод и естественные продукты метаболизма животных. Окислы серы и бенз(а)пирены попадают в атмосферу в ходе природных пожаров, многие металлы – благодаря вулканической активности, окись азота образуется при вспышках молний, нефть попадает в водоемы в районах естественныхнефтепроявлений. Большое количество дисперсных веществ поступает в атмосферу естественным путем.

Эруптивные газы вулканов (выделяющиеся при извержениях) содержат углекислый газ, сероводород, сернистый газ, соединения галогенов. Фумаральные газы (выделяемые в спокойном состоянии) – сернистый, углекислый, сероводород, метан. Естественные гейзеры и геотермальные источники поставляют в атмосферу окиси углерода и серы в количествах, сопоставимых с выбросами тепловых электростанций.

Антропогенное загрязнение отличается, в первую очередь, большей концентрацией загрязняющих веществ. Возникают необычные для биосферы сгущения обычно разреженных элементов, такие как свалки, отвалы, места захоронения отходов. Кроме того, современная цивилизация вынуждает биосферу к включению в биотические кругообороты экзотических веществ. Большая часть загрязнителей рассеивается и разлагается, и их концентрация снижается до безопасного уровня.

Любое инородное вещество как вредное, так и нейтральное, не оказывающее вредного воздействия на окружающую среду, можно определить как примесь или чужеродное вещество, в англоязычной, а по ее примеру теперь и в отечественной литературе называемое контаминантом (contaminant, англ. – примесь, инородное вещество, постороннее вещество, грязь)

Если вещества вызывают деградацию окружающей среды, они называются загрязнителями. Теперь и в русскоязычных публикациях загрязнители достаточно часто называют поллютантами (pollutant, англ. – загрязняющий агент, загрязняющая примесь, загрязнение, токсичная составляющая).

Загрязнение воды и здоровье

По оценкам Всемирной организации здравоохранения, 80 % всех болезней в мире связано с неудовлетворительным качеством воды. Заболевания, вызванные загрязненной водой, можно объединить в пять групп.

Первую группу объединяют заболевания, возникающие при использовании зараженной воды для мытья посуды, продуктов, умывания. Это тиф, холера, дизентерия, гастроэнтерит и инфекционный гепатит. Ко второй группе относятся заболевания кожи и слизистых оболочек, возникающие главным образом при умывании. Это чесотка, конъюктивит, язвы. Третья группа представлена заболеваниями, которые вызываются моллюсками, живущими в воде. Они являются переносчиками такой инфекции как шистосоматоз. Шистосоматоз вызывает лихорадку, боли в печени, сыпь на коже, появление крови в фекалиях. Четвертая группа – это заболевания, вызываемые живущими или размножающимися в воде насекомыми. Они являются переносчиками малярии, желтой лихорадки, сонной болезни. Пятая группа – это заболевания, возникающие из-за несовершенной канализации. Наиболее распространенное из них – нематодоз.

Очевидно, что не все воды пригодны для питья. Научные взгляды в этом отношении прошли долгую эволюцию. Уже Гиппократ связывал качество питьевой воды со здоровьем человека: «Следует знать о водах, какие воды вредны и какие очень здоровы, какие неудобства и какое благо происходит от употребления вод, так как они имеют большое влияние на здоровье...»

Другие великие врачи древности (Авиценна, Парацельс), а также медики более поздних времен тоже пытались квалифицировать пресные воды по их пригодности для питья. Но до последней четверти прошлого века суждения о влиянии качества воды на здоровье населения еще не имели научной основы. По современным представлениям, существует ряд важнейших критериев, определяющих качество питьевой воды. Это органолептическая приемлемость, эпидемическая безопасность, химическая безвредность.

Термин «органолептика» образован сочетанием греческих слов «орган» и «лептикос» – склонный к признанию, одобрению. Когда говорят об органолептических свойствах продуктов, материалов, воды, имеют в виду их свойства, определяемые при помощи органов чувств – анализаторов цвета, запаха, вкуса. Это древнейший из способов определения качества воды. По своим органолептическим свойствам питьевая вода должна быть, несомненно, приятной на вкус, бесцветной и совершенно прозрачной. Сегодня существуют научные методики объективного определения этих свойств. Однако существенное значение имеет и субъективная оценка этих показателей, в особенности вкуса. И. Павлов считал отрицательные органолептические реакции организма важным охранительным безусловным рефлексом, выработанным вековым опытом человечества, защитой от вредных для здоровья веществ. Связь между распространением некоторых заболеваний и условиями снабжения водой была замечена людьми очень давно. Но только в 1888 г. на VI Международном гигиеническом конгрессе в Вене было признано, что заразные болезни могут распространяться с питьевой водой. Обсуждение этого вопроса на научной основе стало возможным благодаря исследованиям крупнейших микробиологов XIX столетия Луи Пастера и Роберта Коха. Л. Пастер доказал, что инфекционные болезни являются следствием жизни и развития микробов в организме человека и животных. Р. Кох сопоставил качество питьевой воды в Гамбурге, пораженном холерной эпидемией, и в соседнем городе Альтоне, который миновала эта болезнь. Он убедился, что важнейшую роль здесь сыграл именно водный фактор – микробное заражение воды.

Исследования многих ученых, в том числе и отечественных позволили выработать методы обнаружения микробов и вирусов и выяснить, что эти возбудители достаточно устойчивы в водной среде. Водный путь передачи инфекций стал очевидным.

В наше время перечень заразных заболеваний, передаваемых через воду, включает, кроме холеры, дизентерию, брюшной тиф, инфекционный гепатит и др. Доказана возможность заражения через воду полиомиелитом и туберкулезом. По данным ВОЗ, в целом число людей, перенесших острое кишечное заболевание, составляет 500 млн. в год. И хотя эти данные касаются преимущественно развивающихся стран Азии, Африки и Латинской Америки, население экономически развитых стран также страдает от периодических эпидемий.

Это обстоятельство делает более понятными требования эпидемической безопасности, предъявляемые к питьевой воде.

О бактериальной чистоте воды позволяет судить наличие так называемых санитарно-показательных бактерий. Например, такой микроб, как кишечная палочка, является достоверным признаком фекального загрязнения и, следовательно, признаком вероятного попадания в воду различных возбудителей заболеваний. Отсюда и санитарно-показательное значение этого микроба. Кишечная палочка очень широко распространена в природных водоемах, и о качестве воды судят на основе подсчета ее количественного содержания. Установлено, что только в тех случаях, когда количество кишечных палочек в 1 л воды не превышает трех, вода может считаться безопасной в бактериальном отношении. О чистоте воды судят и по общему количеству бактерий, содержащихся в 1 мг (так называемое микробное число). Оно не должно превышать 100. Имеются и методы обнаружения в воде патогенных микроорганизмов. Используются они в особых случаях, связанных с создавшейся эпидемической обстановкой.

В таблице 4.5 показано влияние различных химических примесей на здоровье.

Эти данные явились основанием для разработки специальных мер по ограничению возможностей попадания в воду различных загрязнителей. Они включают и очистку сточных вод на отдельных предприятиях, и городские очистные сооружения, и соблюдение регламентов отдаленности мест водозабора, и организацию санитарной охраны водоисточников, и другие меры.

Проблема обеспечения населения качественной питьевой водой определена как одна из ключевых в стратегии устойчивого развития человечества на конференции ООН в Рио-де-Жанейро (июнь, 1992 г.).

В стратегии охраны природы отмечается, что здоровье человечества в

планетарном масштабе будет зависеть от качества используемых пресных вод.

Лекция №

Критерии оценки качества водных экосистем

Критериями оценки качества является любая совокупность количественных показателей, характеризующих свойства изучаемых объектов и используемых для их классифицирования или ранжирования. Оценка качества пресноводных водоемов осуществляется по трем основным аспектам, включающим следующие комплексы показателей:

· факторы, связанные с физико-географическим и гидрологическим описанием водоема, как целостного природного или водохозяйственного объекта;

· контролируемые показатели состава и свойств водной среды, дающие формализованную оценку качества воды и ее соответствия действующим нормативам;

· совокупность критериев, оценивающих специфику структурно-функциональной организации сообществ гидробионтов и динамику развития водных биоценозов.

Критерии качества воды – «характеристики состава и свойств воды, определяющие пригодность ее для конкретных видов водопользования». Современное понимание нормативов качества окружающей среды связывается также с «обеспечением устойчивого функционирования естественных экологических систем и предотвращением их деградации».

При определении степени экологического неблагополучия водоемов оценивается два основных фактора: · опасное для здоровья людей снижение качества питьевой воды и санитарно-эпидемиологического загрязнения водных объектов рекреационного назначения (т.е. фактор изменения среды обитания человека);

· создание угрозы деградации или нарушения функций воспроизводства основных биотических компонентов естественных экологических систем водоемов (т.е. "общеэкологический" фактор изменения природной среды).

Как экологическое, так и санитарно-гигиеническое нормирование основаны на знании негативных эффектов, являющихся результатом биохимического воздействия разнообразных факторов на отдельные рецепторы, физиологические системы живых организмов или их популяции. Одним из важных понятий в токсикологии и медико-биологическом нормировании является понятие «вредного вещества».

В специальной литературе принято называть вредными все вещества, воздействие которых на биологические системы может привести к отрицательным последствиям как в результате однократного действия, «так и в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений» [ГОСТ 12.1.007-76]. Исходя из известного тезиса Парацельса «Ничто не лишено ядовитости», все ксенобиотики (чужеродные для живых организмов или искусственно синтезированные химические соединения) изначально рассматриваются как вредные вещества.

Для нормирования содержания любых веществ в воде по отношению к гидробионтам и человеку применяют такой критерий как порог критического действия. Порог критического действия – это минимальная доза вещества, при воздействии которой в организме возникают изменения, выходящие за пределы физиологических и приспособительных реакций, или появляется скрытая патология [Трахтенберг с соавт., 1991].

Оценка величины критического воздействия в реальных условиях нормирования связана с целым рядом проблем:

1. Химическое загрязнение представляет собой последовательность разовых концентраций, характеризующую изменение уровней воздействия во времени и в пространстве. Поэтому рассчитывают критические нагрузки при суточной, недельной, месячной и другой экспозиции.

2. Постепенно при постоянном загрязнении возникает стадия компенсации, которая может поддерживаться неограниченно долго. В течение данной фазы, ранее выявленные патологические сдвиги либо вовсе исчезают ("истинная адаптация"), либо накапливаются на подпороговом уровне.

3. Разница между порогами однократного и хронического действия отражает сложный процесс материальной и функциональной кумуляции, зависящий от многих факторов: вида воздействия, динамики изменения возмущений, природы реципиента и проч.

Степень токсичности веществ принято характеризовать величиной токсической дозы – количеством вещества (отнесенным, как правило, к единице массы животного или человека), вызывающим определенный токсический эффект. Чем меньше токсическая доза, тем выше токсичность. Различают среднесмертельные (ЛД50), абсолютно смертельные (ЛД100), минимально смертельные (ЛД0-10) и др. дозы.

Цифры в индексе отражают вероятность ( %) появления определенного токсического эффекта – в данном случае, смерти, в группе подопытных животных.

Другой важный критерий оценки действия вредного вещества устанавливается законодательно. Это предельно допустимая концентрация (ПДК) – «максимальное количество вредного вещества в единице объёма или веса, которое при ежедневном воздействии в течение неограниченно продолжительного времени не вызывает в организме каких-либо патологических отклонений, а также неблагоприятных наследственных изменений у потомства. Для установления ПДК используют расчётные методы, результаты биологических экспериментов, а также материалы динамических наблюдений за состоянием здоровья лиц, подвергшихся воздействию вредных веществ».

Главенствующим подходом в нормировании качества вод является санитарно-гигиенический.

Содержание химических веществ в окружающей среде начали контролировать еще в 1925 г., когда определили первые значения ПДК для воздушной среды рабочей зоны. В 1949 г. впервые были установлены некоторые ПДК для атмосферного воздуха, а в 1950 г. – для воды. Современное санитарно-гигиеническое нормирование охватывает все среды, включая почву, продукты питания и т.д., а также различные пути поступления вредных веществ в организм. Нормативы, ограничивающие вредное воздействие, устанавливаются и утверждаются специально уполномоченными государственными органами в области охраны окружающей природной среды, санитарно-эпидемиологического надзора и совершенствуются по мере развития науки и техники с учетом международных стандартов. Существует большое количество справочников, содержащих подробную и исчерпывающую информацию о ПДК и токсикологических показателях различных химических веществ.

Под санитарно-гигиеническими показателями качества воды понимаются характеристики ее состава и свойств, определяющие пригодность воды для использования человеком или в качестве среды для обитания некоторых видов фауны (в первую очередь, промысловых рыб). В целях контроля за качеством воды были разработаны и приняты основополагающие документы, которые устанавливают порядок обоснования нормативов, санитарные требования и значения ПДК для воды с учетом рекомендаций ВОЗ.

В соответствии с Санитарными правилами и нормами СанПиН 2.1.4.1074-01 «питьевая вода должна быть безопасна в эпидемиологическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу и должна иметь благоприятные органолептические свойства». В ходе обоснования ПДК для каждого вещества предварительно определяется класс опасности, который характеризует следующие свойства ксенобиотиков:

• способность к накоплению в организме и кумуляции эффекта вредного действия;

• вероятность вызывать отдаленные последствия (т.е. степень опасности хронического отравления);

• скорость резорбции вещества тканями живого организма (более опасны гидрофильные и липофильные химические соединения, легко проникающие к чувствительным центрам биореципиентов).

Вещества делятся на следующие классы опасности:

· 1 класс – чрезвычайно опасные вещества, для которых проводится полная схема тестирования (острый, подострый, хронический и пожизненный опыты на разных группах животных);

· 2 класс – высоко опасные вещества, изучаемые по развернутой схеме;

· 3 класс – опасные соединения, для которых не ставится хронический эксперимент;

· 4 класс – умеренно опасные вещества, нормируемые по экспрессной схеме.

Экспериментально обосновываются ПДК для водоемов двух классов:

· Предельно допустимая концентрация в воде водоема хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ПДКв) – это максимальная концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать прямого или косвенного влияния на организм человека в течение всей его жизни и на здоровье последующих поколений, и не должна ухудшать гигиенические условия водопользования [СанПиН 2.1.5.980-00];

· Предельно допустимая концентрация в воде водоема, используемого для рыбохозяйственных целей (ПДКвр) – это концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать вредного влияния на популяции рыб, в первую очередь промысловых.

При обосновании ПДК одновременно устанавливается и ЛПВ – лимитирующий (или минимальный из всех перечисленных значений) показатель вредности по наиболее чувствительному звену. ЛПВ имеет значение при оценке комбинированного действия смеси веществ. Например, при обнаружении в питьевой воде нескольких химических соединений, относящихся к 1 и 2 классам опасности и нормируемых по одному и тому же признаку вредности, необходимо определить сумму отношений фактических концентраций C каждого из них к величине его ПДК. В результате эта сумма не должна превышать по общепринятой методике:

Предельно допустимая концентрация вещества в воде устанавливается:

· для хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ПДКв) с учетом трех показателей вредности:

· органолептического;

· общесанитарного;

· санитарно-токсикологического.

· для рыбохозяйственного водопользования (ПДКвр) с учетом пяти показателей вредности:

· органолептического;

· санитарного;

· санитарно-токсикологического;

· токсикологического;

· рыбохозяйственного.

Органолептический показатель вредности характеризует способность вещества изменять органолептические свойства воды. Общесанитарный – определяет влияние вещества на процессы естественного самоочищения вод за счет биохимических и химических реакций с участием естественной микрофлоры. Санитарно-токсикологический показатель характеризует вредное воздействие наорганизм человека, а токсикологический – показывает токсичность вещества для живых организмов, населяющих водный объект. Рыбохозяйственный показатель вредности определяет порчу качеств промысловых рыб.

Наименьшая из безвредных концентраций по трем (пяти) показателям вредности принимается за ПДК с указанием лимитирующего показателя вредности.

Рыбохозяйственные ПДК должны удовлетворять ряду условий, при которых не должны наблюдаться:

· гибель рыб и кормовых организмов для рыб;

· постепенное исчезновение видов рыб и кормовых организмов;

· ухудшение товарных качеств обитающей в водном объекте рыбы;

· замена ценных видов рыб на малоценные.

Другим, более ценным с точки зрения защиты внутриводоемной среды, является общеэкологический подход к нормированию качества.

В связи с этим следует отметить, что система критериев ПДК длительное время подвергается в целом аргументированной критике, так как давно наметилась тенденция к оценке состояния водных объектов не с точки зрения потребностей конкретного природопользователя, а с точки зрения сохранения структуры и функциональных особенностей всей экосистемы в целом.

Основные претензии к действующей системе ПДК сводится к следующему:

1. Концентрация веществ в воде не отражает токсикологическую нагрузку на экосистему, так как не учитывает процессы аккумуляции веществ в биологических объектах и донных отложениях, т.е. не учитывается предыстория, связанная с накоплением в водной среде загрязняющих веществ.

2. Видовая приспособляемость водных животных зависит не столько от специфики механизмов действия ядов, сколько от уровня организации организма и от его отношения к общему фону загрязнения, обусловленному соответствующими механизмами адаптации, сформировавшимися в результате длительного эволюционного процесса.

3. ПДК не учитывают специфику функционирования водных экосистем в различных природно-климатических зонах (широтная и вертикальная зональность) и биогеохимических провинциях (естественные геохимические аномалии с различным уровнем содержания природных соединений).

4. Не учитываются эффекты синергизма, антагонизма, суммации.

5. Не решена проблема нормы и патологии в водной токсикологии, в частности не принимается во внимание принцип эмерджентности, т.е. качественного своеобразия функционирования и устойчивости биосистем на разных уровнях их организации (от молекулярного до экосистемного).

6. При обосновании ПДК не учитывается разный трофический статус экосистем, сезонные особенности природных факторов, на фоне которых проявляется токсичность загрязняющих веществ.

Таким образом, основными задачами экологического нормирования и водной токсикологии должны стать:

· оценка влияния токсических веществ не только на отдельные организмы, но и на надорганизменные системы (популяции и сообщества), которым свойственны специфические реакции на антропогенные факторы;

· составление приоритетного списка веществ, на которые живые организмы реагируют наиболее активно, с учетом как их количества и степени токсичности, так и трансформации в водной экосистеме. В качестве основных гидрохимических показателей оценки состояния поверхностных вод выбираются, в первую очередь, токсичные, приоритетные загрязняющие вещества, в том числе обладающие акумулятивными свойствами накапливаться в органах и тканях гидробионтов. Для совокупной оценки опасных уровней загрязнения водных объектов при выделении зон чрезвычайной экологической ситуации и экологического бедствия предлагается использовать формализованный суммарный показатель химического загрязнения. Предполагается, что этот показатель особенно важен для территорий, где загрязнение химическими веществами наблюдается сразу по нескольким веществам, каждый из которых многократно превышает допустимый уровень ПДК. В дополнительные показатели включены некоторые общепринятые физико-химические параметры, дающие общее представление о составе и качестве вод. Для характеристики процессов, происходящих в водных объектах, приводятся также коэффициенты, учитывающие способность загрязняющих веществ накапливать-ся в донных отложениях (КДА) и гидробионтах (Кн).

Коэффициент донной аккумуляции (КДА) определяется как отношение концентрации веществ (документ не определяет, каких именно) в донных отложениях Сдо к концентрации тех же веществ в воде Свода.:

Коэффициент накопления в гидробионтах (Кн) определяется как отношение концентрации веществ в гидробионтах Сгидробионт к концентрации тех же веществ в воде Свода.:

Само по себе санитарно-гигиеническое нормирование не предполагает выделение классов качества воды и водоемов, вернее, предполагается только два класса качества: с соблюдением гигиенических нормативов ("норма") и с нарушением нормативов ("патология"). Однако, на практике применяются комплексные подходы к оценке качества воды, в первую очередь такие, как индексы загрязнения и классификации качества вод [по Протасову В.Ф.].

Одним из таких общеизвестных индексов является гидрохимический индекс загрязнения воды (ИЗВ). ИЗВ установлен Госкомгидрометом СССР и относится к категории показателей, наиболее часто используемых для оценки качества водных объектов (впрочем, необходимость его применения не подтверждается). Этот индекс является типичным коэффициентом и представляет собой среднюю долю превышения ПДК по строго лимитированному числу индивидуальных ингредиентов:

где: Ci – концентрация компонента (в ряде случаев – значение физико-химического параметра);

n – число показателей, используемых для расчета индекса,

n = 6; ПДКi – установленная величина норматива для соответствующего типа водного объекта (по методике, применяемый в Департаменте по гидрометеорологии Министерства природных ресурсов, используются следующие показатели: содержание растворенного кислорода, аммонийного азота, нитритного азота, нефтепродуктов, летучих фенолов, величина БПК5.

При расчете индекса загрязнения вод для всего множества нормируемых компонентов, включая биологическое потребление кисло-рода БПК5 и содержание растворенного кислорода, находят отношения Ci / ПДКi фактических концентраций к ПДК и полученный список сортируют. Для определения соотношения содержания растворенного кислорода используют ОБРАТНОЕ соотношение!

ИЗВ рассчитывают строго по шести показателям, имеющим наибольшие значения приведенных концентраций, независимо от того превышают они ПДК или нет.

При расчете ИЗВ для составляющих Ci / ПДКi по неоднозначно нормируемым компонентам применяется ряд следующих условий:

· для биологического потребления кислорода БПК5 (ПДК – не более 3 г 2/дм3 для водоемов хозяйственно-питьевого водопользования и не более 6 мг O2/дм3 для водоемов хозяйственно-бытового и культурного водопользования) устанавливаются специальные значения нормативов, зависящие от самого значения БПК5 ;

· концентрация растворенного кислорода нормируется с точностью до наоборот: его содержание в пробе не должно быть ниже 4 мг/дм3 , поэтому для каждого диапазона концентраций компонента устанавливаются специальные значения слагаемых Ci/ПДКi:

В зависимости от величины ИЗВ участки водных объектов подразделяют на классы (табл. 9.1). Устанавливается требование, чтобы индексы загрязнения воды сравнивались для водных объектов одной биогеохимической провинции и сходного типа, для одного и того же водотока, а также с учетом фактической водности текущего года.

Системы классификации качества воды. Рассмотрим две из них, наиболее известные и часто применяемые на практике.

Система классификации качества воды по А.А. Былинкиной и С.М. Драчеву. Эта классификация впервые заложила основы шестибалльной шкалы классификации водоемов. Оценка качества воды осуществляется с использованием следующих показателей:

· химические показатели состояния водоемов (табл. 9.2);

· бактериологические и гидробиологические показатели (табл. 9.3);

· показатели состояния водоемов по физическим и органолептическим свойствам (табл. 9.4).

В качестве главных показателей рекомендуется взять пять следующих: титр кишечной палочки, запах, БПК5, азот аммонийный и внешний вид водоема у места взятия проб (по степени загрязнения нефтью). Весьма важным показателем санитарного состояния водоемов является также содержание токсических веществ, в том числе, радиоактивных. «В качестве показателя степени загрязнения водоемов по содержанию токсических веществ можно принять отношение количества токсических веществ, найденных аналитически, к допустимым концентрациям, согласно существующим нормативам. В отношении содержания радиоактивных веществ показателем может быть взята суммарная b-активность, поскольку в отношении данного определения имеется наибольшее количество аналитических материалов» [Драчев, 1964].

Каждому из показателей придается приоритет – цифровое значение, соответствующее важности и значимости данного фактора. Если по различным показателям классификация водоема выполняется неоднозначно, то необходимо рассчитать общий показатель загрязнения путем усреднения числовых значений условных приоритетов. Коэффициенты для подсчета общего показателя и группировка водоемов по сумме признаков приведены в табл. 9.5.

Комплексная экологическая классификация качества поверхностных вод суши Жукинского А.П. Одной из первых попыток создания глобальных классификаций, построенных по экосистемному принципу, когда в классификационный рубрикатор включаются как гидрофизические и гидрохимические показатели (абиотическая составляющая), так и характеристики гидробионтов (биологическая составляющая экосистем), стала разработка Института гидробиологии АН УССР. В преамбуле указывается на следующее: «чтобы проследить и уяснить сущность и степень происходящих экологических изменений водных экосистем, необходимо иметь единую достаточно репрезентативную классификацию качества воды, охватывающую большинство компонентов водной экосистемы».

Схема общей иерархии показателей (строк) и градаций (столбцов) разработанной системы классификации представлена в таблице 9.6. В сущности, авторы предложили не единую классификацию, а три самостоятельных классификации: единую пятиклассно–девятиразрядную классификацию С для трех групп "экологических" показателей и две классификации А и B по минеральному составу воды, не совместимые ни с первой, ни друг с другом.

Тема лекции № 15: Экологические аспекты проблемы воды и охраны водных экосистем

Цель лекции: изучение источников загрязнения водоемов и выявление причин загрязнения водоемов которые отражаются не только на водопотреблении и водопользовании, но и на биосферной роли водных экосистем..

Рассматриваемые вопросы:

1. Загрязнение водоемов

2. Нефть.

3. Пестициды.

4. Тяжелые металлы и другие вещества.

Огромны по своим масштабам последствия гидростроительства (зарегулирование, переброска части стока рек и др.), ведущегося в интересах энергетики, орошения земель, навигации и в других целях. Загрязнение водоемов в наибольшей степени связано со сбросом в них промышленных, сельскохозяйственных и бытовых стоков, с попаданием загрязняющих веществ из атмосферы, а также деятельностью человека на самих водоемах (судоходство, транспорт нефти, подводное бурение, лесосплав и др.). Во многих водоемах загрязнение настолько велико, что привело к полной деградации их как источников водоснабжения, рыбохозяйственных угодий, зон рекреации или в ином отношении, отрицательно сказывающемся на ресурсной ценности гидроэкосистем. Ресурсная деградация водоемов часто вызывается их антропогенной эвтрофикацией (повышением уровня трофии), сопровождающейся нарушением баланса веществ в экосистеме. В результате такой эвтрофикации, как правило, связанной с избыточным поступлением в водоемы биогенов, первичная продукция начинает резко превалировать над деструкцией, аэробные процессы все больше заменяются анаэробными, питьевые и гигиенические качества воды снижаются, ухудшается санитарное и рекреационное состояние водоемов. Значительное влияние на ресурсную ценность водоемов оказывает их термофиксщия (отепление). Обычно она связана со сбросом в водоемы подогретых вод из охлаждающих контуров тепловых и атомных электростанций. Термофикация вызывает ряд существенных сдвигов в структуре и функциях гидроэкосистем и часто становится фактором, усиливающим проявление антропогенной эвтрофикации. Вместе с тем отепление водоемов создает новые возможности их рыбохозяйственного освоения и использования в других отношениях. Небольшое количество загрязняющих веществ не всегда вызывает ухудшение состояния водоемов, так как они обладают свойством биологического самоочищения той или иной мощности. За счет минерализации органических веществ, разрушения различных токсических соединений и ряда других процессов гидробиоценозы способны кондиционировать среду, препятствуя ее отклонениям от нормы. Обрастание создает помехи в навигации и при эксплуатации гидротехнических сооружений. Многие гидробионты патогенны для человека и домашних животных или вредны в других отношениях. Загрязнение, эвтрофикация и термофикация водоемов, забор из них больших объемов воды и многие последствия гидростроительства отражаются не только на водопотреблении и водопользовании, но и на биосферной роли водных экосистем. Изменяясь, они уже не обеспечивают тот вклад в биосферу, который обусловливал ее становление и эволюцию.