Основы общей и экологической токсикологии

2.1. Понятие о биосфере

Автором термина «биосфера» был французский естествоиспытатель Жан Батист Ламарк, который употребил его в 1803 г. в труде по гидрогеологии Франции для обозначения совокупности организмов, обитающих на земном шаре. Затем на длительное время этот термин был забыт. В 1875 г. он был «воскрешен» профессором Венского университета геологом Эдуардом Зюссом в работе о строении Альп. Он ввел в науку представление о биосфере как особой оболочке земной коры, охваченной жизнью. В таком общем смысле впервые в 1914 г. использовал этот термин и выдающийся русский ученый-геохимик В. И. Вернадский в статье об истории рубидия в земной коре.

Согласно В. И. Вернадскому, биосфера – нижняя часть атмосферы, вся гидросфера и верхняя часть литосферы Земли, населенные живыми организмами, «область существования живого вещества»; оболочка Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба. Биосфера – самая крупная (глобальная) экосистема Земли – область системного взаимодействия живого и косного вещества на планете. Мысль о жизни как о космическом явлении впервые высказал голландский ученый Х. Гюйгенс в конце XVIII в.: «…жизнь есть космическое явление, в чем-то резко отличное от косной материи». Это высказывание было названо В. И. Вернадским «принципом Гюйгенса».

Биосфера занимает особое место по отношению к геосферам. Биосфера – это своеобразная оболочка Земли, или область распространения жизни. От геосфер она отличается и тем, что в ее пределах проявляется геологическая деятельность живых существ: растений, животных, микроорганизмов и человека. Биосфера охватывает поверхность земли, верхнюю часть литосферы, всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы – тропосферу. Границы биосферы определяются наличием условий, необходимых для жизни различных организмов. Верхний предел жизни биосферы ограничен интенсивной концентрацией ультрафиолетовых лучей. Физическим пределом распространения жизни в атмосфере является озоновый слой. Поэтому его нижнюю границу можно рассматривать как верхнюю границу биосферы. Озоновый слой ограничивает распространение жизни, ибо выше него концентрация ультрафиолетовых лучей превосходит допустимую для живых организмов норму, а концентрация содержащегося там озона губительна для всех живых организмов, для которых критическим считается содержание озона в 0,0005 об. %. В озоновом слое на высоте 15 – 26 км от поверхности Земли концентрация его достигает 0,001 %, у земной поверхности содержание озона составляет 0,000007 %.

Нижний предел существования жизни традиционно определяют дном океана (максимум 11 022 м – глубина Марианской впадины) и глубиной литосферы, характеризующейся температурой 100 °C (около 6 км, по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове). В основном жизнь в литосфере распространена лишь на несколько метров вглубь, ограничиваясь почвенным слоем. Однако по отдельным трещинам и пещерам она распространяется на сотни метров, достигая в ряде случаев глубин от 3000 до 4000 м. По некоторым оценкам, пределы биосферы, возможно, намного шире, так как в гидротермах дна океана на глубинах около 3000 м при температуре 250 °C обнаружены организмы. На таких глубинах давление составляет около 30 МПа (300 атм), что позволяет воде находиться в жидком состоянии, в то время как пределы жизни ограничены точками перехода ее в пар и сворачивания белков. Теоретически на глубинах 25 км относительно уровня моря должна иметь место критическая температура 460 °C, при которой при любом давлении вода находится только в виде паров, а значит, жизнь невозможна (Николайкин Н. И. [и др.], 2006).

По поверхности Земли жизнь распределена неравномерно. Существуют области ее повышенной концентрации: на границе раздела воды, воздуха и почвы. В. И. Вернадский назвал их «пленками жизни».

Как следует из приведенных данных (табл. 2.1), основную часть биомассы суши составляют зеленые растения (99,2 %), а в океане – животные (93,7 %).

Общая биомасса планеты составляет более двух триллионов тонн. Строение растений во много раз сложнее строения бактерий, а строение животных сложнее, чем у растений. Как правило, с усложнением строения организмов увеличивается их видовое разнообразие. Биомасса организмов, напротив, уменьшается с увеличением их сложности. Соотношение масс организмов принято называть «пирамидой биомассы».

Таблица 2.1

Распределение биомассы растений, животных и микроорганизмов

В результате последовательных превращений энергии в пищевых цепях каждое сообщество живых организмов в экосистеме приобретает определенную трофическую структуру. Трофическая структура сообщества отражает соотношение между продуцентами, консументами (отдельно первого, второго и т. д. порядков) и редуцентами, выраженное или количеством особей живых организмов, или их биомассой, или заключенной в них энергией, рассчитанных на единицу площади в единицу времени.

Напомним, что продуценты – это автотрофные организмы, способные строить свои тела за счет неорганических соединений, используя солнечную энергию (зеленые растения, микроскопические водоросли и др.). Они составляют первое звено пищевой цепи. Консументы — это гетеротрофные организмы, которые потребляют первичную продукцию и накопленную в ней энергию, т. е. для них продуценты представляют собой единственный источник питания. Они бывают I порядка (растительноядные), II порядка (плотоядные), III порядка (хищники, питающиеся более слабыми хищниками) и т. д. Редуценты (деструкторы) — это организмы, разлагающие органические остатки (бактерии, грибы, микроорганизмы) и служащие частично завершающим звеном биологического круговорота.

Основанием экологической пирамиды служит первый трофический уровень – уровень продуцентов, а последующие уровни образуют следующие этажи пирамиды. При этом высота всех блоков-этажей одинакова, а длина пропорциональна числу, биомассе или энергии на соответствующем уровне (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Экологическая пирамида

В зависимости от того, количественные соотношения каких величин отражает пирамида, она носит название пирамиды чисел, биомасс или энергий. Подобные пирамиды-соотношения используют для практических расчетов при обосновании, например, необходимых площадей под сельскохозяйственные культуры, с тем чтобы обеспечить кормами выращиваемое поголовье скота и далее реализовать определенный объем мясной продукции.

Из количественных оценок, связанных с энергией, для трофических цепей установлено «правило десяти процентов» (закон Линдемана): с одного трофического уровня экологической пирамиды энергий на другой в среднем переходит 10 % энергии, поступающей на предыдущий уровень (Дедю И. И., 1990).

Например, количество энергии, которая доходит до третичных плотоядных (трофический уровень биоценоза V), составляет около 10

энергии, поглощенной продуцентами. Это объясняет ограниченное количество (5 – 6) звеньев (уровней) в пищевой цепи независимо от рассматриваемого биоценоза.

Биосфера является единственным местом обитания человека и других живых организмов, причем из концепции В. И. Вернадского и ряда других ученых следует закон незаменимости биосферы:

Биосфера – это единственная система, обеспечивающая устойчивость среды обитания при любых возникающих возмущениях. Нет никаких оснований надеяться на построение искусственных сообществ, обеспечивающих стабилизацию окружающей среды в той же степени, что и естественные сообщества.

Приведенный закон утверждает, что конечная задача охраны природы – это сохранение биосферы как естественного и единственного места обитания человеческого общества.

Поучительным и наглядным примером является история острова Пасхи. На одном из полинезийских островов, носящем название остров Пасхи, в результате сложных миграционных процессов в VII в. возникла замкнутая изолированная от всего мира цивилизация. В весьма благоприятном субтропическом климате она за сотни лет существования достигла существенных высот развития, создав самобытную культуру и письменность. А в XVII в. она без остатка погибла, уничтожив вначале растительный и животный мир острова, а затем погубив себя в прогрессирующей дикости и каннибализме. У последних островитян не осталось уже воли и материала, чтобы построить спасительные «Ноевы ковчеги» – плоты и лодки. В память о себе исчезнувшее сообщество оставило полупустынный остров с гигантскими каменными фигурами – свидетелями былого могущества.

Наукой установлено, что потоки биологического синтеза и разложения вещества в биосфере с высокой точностью, до десятых долей процента, совпадают друг с другом, образуя сложную систему биологических циклов. Эта система подчиняется принципу Ле Шателье – Брауна: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Физический принцип Ле Шателье – Брауна, основанный на моделях неживой природы, справедлив и для условно-равновесных (квазистационарных) природных систем, в том числе экологических (Смирнов Н. П., 2006). Этот же принцип объясняет причину негативного действия закона снижения энергетической эффективности природопользования – чем больше отклонение от состояния экологического равновесия, тем значительнее должны быть энергетические затраты для ослабления противодействия природных систем этому отклонению.

Нарушения цикличности и действия рассматриваемого принципа проявляются в истории биосферы в форме экологических кризисов: локальных, региональных, глобальных. Современный кризис определяется как неразрешимое в настоящее время противоречие между утвердившейся в истории цивилизации практикой природопокорительного отношения общества к окружающей среде и способностью биосферы поддерживать систему естественных биохимических циклов самовосстановления.

Развитие экологического кризиса в значительной степени связано с техногенными процессами, с увеличением объемов и темпов хозяйственной деятельности. Действительно, хозяйственная деятельность современного человечества в течение последнего столетия привела к серьезному загрязнению нашей планеты разнообразными отходами производства. Воздушный бассейн, водные объекты и почвы в районах крупных промышленных центров часто содержат токсичные вещества, концентрации которых существенно превышают предельно допустимые значения.

2.2. Основные источники и виды антропогенного загрязнения атмосферного воздуха

Источниками антропогенного загрязнения атмосферы служат различные объекты производственной и бытовой деятельности людей (табл. 2.2).

Пока масштабы антропогенного загрязнения атмосферы уступают глобальной естественной эмиссии (выделению). Данные о глобальной эмиссии из природных источников и в результате деятельности человека приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.2

Виды загрязнений атмосферы

Техногенные источники отличаются большой скученностью, что приводит к высоким локальным загрязнениям воздушной среды.

Естественное загрязнение воздуха происходит в результате извержения вулканов, которых на планете насчитывается свыше 500, а также вследствие пыльных бурь, особенно в степных районах.

Антропогенные факторы предопределяют существенные изменения в нормальном функционировании атмосферы, причем как в самых нижних, так и в высотных ее частях. Имеется множество различных источников антропогенного характера, вызывающих загрязнение атмосферы, а вместе с тем и серьезные нарушения экологических равновесий в биосфере. По своим масштабам заслуживают внимания, прежде всего, два таких источника – транспорт и индустрия. В среднем на долю транспорта (например, в США) приходится 60 % общего количества загрязнений, поступающих в атмосферу, промышленности – 17 %, энергетики – 14 %, на отопление и уничтожение отходов – 9 %.

Таблица 2.3

Глобальные эмиссии из природных источников и в результате человеческой деятельности

Если говорить о транспорте, и, прежде всего, автотранспорте, то следует отметить, что при работе двигателя на этилированном бензине в выхлопах появляются оксиды азота, свинец и его соединения. Количество свинца в воздухе находится в прямой зависимости от интенсивности движения. При работе на серосодержащем топливе в выхлопах появляется также диоксид серы (SO

). Как правило, содержание токсичных веществ в выхлопе бензиновых и дизельных двигателей превышает предельно допустимые концентрации в десятки и сотни раз.

Большой вклад в загрязнение атмосферы вносит и индустрия. Проведенный в России анализ состава промышленных выбросов и автотранспорта в 100 городах показал, что 85 % общего выброса вредных веществ в атмосферу составляют сернистый газ, оксид и диоксид углерода и аэрозольная пыль. Половина остальных 15 % специфических вредных веществ приходится на углеводороды, другая половина – на аммиак, сероводород, фенол, хлор, сероуглерод, фтористые соединения, серную кислоту.

Коксохимические, нефтехимические и металлургические заводы служат источниками поступления в атмосферу полиароматических углеводородов (ПАУ), в частности бенз(а)пирена. Концентрация бенз(а)пирена, как одного из наиболее опасных канцерогенов, на таких предприятиях достигает сотен мкг/м

(ПДК = 5 ? 10

мг/л).

Особенно большое локальное загрязнение воздуха ПАУ связано с переработкой угля в кокс, а также при разливе стали. Высокий уровень загрязнения воздушной среды ПАУ имеет место в производстве алюминия и сажи. Значительными источниками ПАУ служат тепловая электрическая станция (ТЭС) и тепловая электроцентраль (ТЭЦ).

Существенный вклад в загрязнение воздушной среды вносят предприятия по крупномасштабному производству галогенсодержащих соединений (CHCl

, CCl

,CH

Cl

, CF

Cl

,CF

Cl