Интегральный показатель последствий техногенеза – загрязнение окружающей природной среды. Загрязнением в узком смысле считается привнесение в какую-либо среду новых, нехарактерных для нее физических, химических и биологических агентов или превышение естественного средне многолетнего уровня содержания этих агентов в среде.
Основными антропогенными источниками загрязнения природных и аграрных экосистем являются:
1) промышленные – газообразные, твердые и жидкие выбросы и сбросы, поступающие при работе предприятий промышленности и энергетики, а также в результате нарушений технологического режима или аварий;
2) сельскохозяйственные – химические вещества, входящие в состав агромелиорантов, средства химической защиты растений от болезней и вредителей, выбросы и сбросы животноводческих комплексов и т.п.;
3) автомобильный транспорт – газообразные, твердые и жидкие выбросы;
4) коммунально-бытовые – продукты жизнедеятельности человека и коммунальные отходы.
Среди сельскохозяйственных источников загрязнения агроландшафтов выделяются вещества и химические соединения, используемые в качестве удобрений (минеральных и органических), агромелиорантов (обезвреженные осадки промышленных и бытовых сточных вод, фосфогипс, шлаки, силикагели и др.) и средств защиты растений.
Одним из наиболее значимых источников поступления тяжелых металлов являются фосфорные удобрения, а также удобрения, получаемые с использованием ортофосфорной кислоты – аммофосы, аммофоски, нитрофоски. Навоз и известь также содержат тяжелые металлы. Применяемые в настоящее время в качестве органических удобрений осадки сточных вод, компосты из них и переработанные бытовые отходы содержат в своем составе тяжелые металлы и примесные элементы. Значимость этих источников загрязнения невелика, так как в качестве удобрений в настоящее время используется только 4-6% осадков сточных вод.
Загрязняющие факторы по физико-химическим параметрам подразделяют на: механические, физические (энергетические), химические, биологические.
Механические источники загрязнения представлены инертными пылевыми частицами в атмосфере, твердыми частицами и разнообразными предметами в воде и почве.
К химическим источникам загрязнения относятся газообразные, жидкие и твердые химические элементы и соединения, попадающие в атмосферу и взаимодействующие с компонентами окружающей природной среды.
Физическими (энергетическими) источниками загрязнения являются тепло, шум, вибрации, ультразвук, видимые, инфракрасные и ультрафиолетовые части спектра световой энергии, электромагнитные поля, ионизирующие излучения.
Биологические загрязнения связаны с различными видами организмов, по появившимися при участии человека и причиняющих вред ему самому или живой природе.
Сравнительно недавно к загрязнениям начали относить нарушение природных ландшафтов и пейзажей, урбанизацию и т.п.
В свете современных представлений наиболее содержательной является классификация загрязнения экологических систем, основанная на системном подходе.
Под ингредиентным загрязнением понимают совокупность веществ, количественно или качественно чуждых естественным биогеоценозам.
Параметрическое загрязнение заключается в изменении качественных параметров окружающей природной среды.
Биоценотическое загрязнение связано с воздействием на состав и структуру популяций живых организмов.
Стациально-деструкционное загрязнение представляет собой изменение ландшафтов и экологических систем в процессе природопользования и определяется интенсивностью трансформации естественных систем.
Устойчивость агроценоза – способность сохранять структуру, функциональные особенности, продуктивность и качество продукции в условиях техногенного воздействия.
Устойчивость агроценозов к техногенному воздействию является комплексным явлением, зависящим от устойчивости основных его компонентов (почва, почвенный микробоценоз, фитоценоз).
Продукты техногенеза в виде разнообразных загрязняющих веществ проходят многостадийные превращения, что необходимо учитывать при формировании продуктивных агроэкосистем.
Центральное место в агроэкосистемах занимают продуценты (автотрофное звено), представляемые широким набором культивируемых растений. Именно в этом звене в значительной мере непосредственно и опосредованно депонируются продукты техногенеза, прежде всего газопылевые выбросы.
Воздействия загрязнений на растительность делят на 2 группы:
- невидимые повреждения
- видимые повреждения
К основным невидимым воздействиям относятся: загрязнение растительного материала газообразными или твердыми компонентами вредных веществ, которые поглощаются частями растений, скапливаясь внутри или прилипая (некоторые компоненты, будучи неопасными для растений или отдельных их органов, при дальнейшем использовании растительного материала могут оказаться токсичными);
реакции в растительном обмене веществ, проходящие в течение короткого времени (например, при высокой концентрации ингредиентов-загрязнителей), они представляют собой скрытое предварительное воздействие, которое в сочетании с другими факторами среды усиливает негативный эффект;
структурные изменения внутри клеток.
К внешним, в той или иной степени выраженным изменениям относятся следующие:
загрязнения (например, от сажи, летучей золы, цементной пыли, оксида железа и др.), особенно на шероховатых, покрытых волосками, клейких или влажных частях растений;
прилипающая пассивная пыль (до образования корки при определенных условиях);
прилипающая токсичная пыль, содержащая Pb, As или F;
некроз, проявляющийся в изменении цвета или ожогах на листьях или других частях растений в результате воздействия SО2, HF, SiF4, SO3, HCl.
В сильно загрязненных районах у растений вырабатывется устойчивость к загрязнению О3, SO2, NO2. Характерно, что на таких территориях у коренных популяций луговых трав при воздействии О3, SO2, NO2 не наблюдалось замедления роста и снижения урожая по сравнению с популяциями из «чистых» районов. Обработка проростков сои SO2 в низких концентрациях заметно повышала их устойчивость к этому загрязнителю. Сорта пшеницы, выведенные в начале XX века, оказались менее устойчивы к SO2 и NO2 чем современные.
Характер физиологических и биохимических изменений в растениях в ответ на загрязнение воздуха сходен с характером изменений в ответ на другие стрессы (высокие дозы пестицидов, засоление, засуха). Стресс вызывает у растений изменение активности ферментов; метаболиты начинают аккумулироваться в молодых листьях и побегах. Техногенное воздействие на растения оксидов азота и серы стимулирует рост содержания в них абсцизовой кислоты – гормона покоя. В полевых условиях под влиянием абсцизовой кислоты повышаются засухоустойчивость, иммунитет к болезням, происходит перераспределение ассимилятов (усиливается отток из стеблей в клубни, корнеплоды и т. д.).
Загрязняющие вещества, с одной стороны, концентрируются непосредственно в тканях растений, а с другой – меняют условия среды их обитания. У многих растений наряду с морфоструктурными механизмами защиты от чужеродных веществ существуют биохимические механизмы детоксикации и окислительной деградации поглощенных токсикантов.
Установлена, например, способность высших растений поглощать и утилизировать наиболее токсичные органические ингредиенты. Изучение и понимание этих механизмов весьма существенно для грамотной борьбы с химическим загрязнением воздуха, водоемов и почвы.
В последние десятилетия в связи с усилением антропогенного воздействия на биосферу, приведшим к глобальному загрязнению окружающей среды, большую актуальность приобрела проблема качества сельскохозяйственной продукции.
Вещества, загрязняющие окружающую среду, отрицательно воздействующие на живые организмы и снижающие качество сельскохозяйственной продукции, называются поллютантами (от английского слова pollution – загрязнение).
Стремление повысить продуктивность возделываемых культур и выращиваемых животных без надлежащего учета природоохранных требований привело к необоснованному увеличению объемов применения минеральных удобрений (преимущественно азотных), пестицидов и мелиорантов. Выбросы промышленных производств и транспорта, коммунальные отходы поставляют в естественные и искусственные экосистемы соединения полихлорированных бифенилов, серы, тяжелых металлов и т.д. Среди природных загрязнителей выделяют афло- и другие микотоксины.
К числу основных поллютантов относятся радионуклиды, тяжелые металлы, пестициды, нитраты, некоторые органические и минеральные вещества.
Нитраты. Основными источниками поступления в почву токсичных соединений азота, в первую очередь нитратов, являются азотные удобрения и стоки животноводческих комплексов. В организм человека нитраты попадают с пищей и питьевой водой.
Отрицательное действие нитратов на организм человека и животных обусловлено двумя основными причинами.
Попадая в органы пищеварения, нитраты (NO3–) под действием микроорганизмов восстанавливаются до нитритов (NО2–), которые токсичнее нитратов в 10-20 раз. Нитриты взаимодействуют с железом гемоглобина крови, вызывая его окисление. При этом гемоглобин превращается в метгемоглобин, который не способен переносить кислород. В результате снижается снабжение ткани организма кислородом. Наиболее чувствительны к действию нитратов дети.
Нитраты вступают в реакцию с вторичными аминами, образуя нитрозоамины. Последние могут вызывать мутации, рак, а также воздействовать на зародышевые ткани.
Главный технологический фактор накопления нитратов – виды, дозы, сроки и способы внесения азотных удобрений.
Содержание нитратов в продуктах питания можно снизить в результате ряда мероприятий:
оптимизация доз азотных удобрений;
применение медленнодействующих форм азотных удобрений;
локальное и дробное внесение удобрений;
исключение поздних подкормок азотом;
селекция на снижение накопления нитратов;
выбор оптимальных сроков уборки (вечерние часы для листовых овощей);
создание оптимальных условий выращивания в защищенном грунте;
хранение свежих овощей при пониженной температуре;
переработка овощей (варка, соление, маринование, квашение).
Тяжелые металлы. К тяжелым металлам относятся химические элементы с атомной массой свыше 40 и плотностью более 6 г/см3 ( ртуть, кадмий, свинец, железо, кобальт, олово, никель, медь, молибден, мышьяк и др.). Некоторые из тяжелых металлов (медь, молибден, железо, марганец и др.) входят в состав ферментов. Эти металлы токсичны только при повышенных концентрациях. Наибольшей токсичностью обладают ртуть, кадмий, свинец, мышьяк.
Основными источниками тяжелых металлов являются предприятия черной и цветной металлургии, тепловые электростанции, нефтеперерабатывающие предприятия, транспорт, минеральные удобрения, осадки сточных вод, пестициды, отходы промышленности.
Тяжелые металлы отрицательно воздействуют на активность ферментов, в результате чего нарушаются биохимические процессы в растениях, животных, микроорганизмах. Наиболее уязвимыми к действию тяжелых металлов являются микроорганизмы. В результате попадания тяжелых металлов в почву происходит перестройка микробоценоза. Снижается количество полезных микроорганизмов (азотфиксирующие бактерии, актиномицеты). Повышается количество грибов. Нарушается естественный процесс почвообразования. Растения могут накапливать тяжелые металлы из почвы и из воздуха при попадании непосредственно на поверхность растений. В первом случае происходит снижение поступления тяжелых металлов на пути корень–стебель–лист–плод–семена. Второй путь (воздушный) более опасен, поскольку при этом возможностей для детоксикации значительно меньше. Детоксикация (снижение активности) в растительных клетках может происходить в результате образования сложных соединений тяжелых металлов с различными органическими веществами, накопления их в вакуолях и удаления через клеточную стенку. Растения различных видов и сортов растений существенно различаются по накоплению тяжелых металлов.
Техногенное загрязнение агроландшафтов обуславливает необходимость разработки приемов и технологий, снижающих негативное действие поллютантов и повышающих устойчивость агроценозов к их воздействию. Для ведения растениеводства должна быть разработана система земледелия, включающая технологические приемы, которые, с одной стороны, обеспечивают сохранение плодородия почв и повышение продуктивности агроценозов как интегрального показателя их устойчивости, а, с другой, – получение продукции, отвечающей санитарно-гигиеническим нормативам и требованиям к биологическому и технологическому качеству урожая.
Тяжелые металлы попадают с пищей и кормом в организм человека и животных. Кроме того, они могут поступать в организм из воды и воздуха. Последний путь наиболее опасен. Так, вдыхаемый свинец в 10-100 раз токсичнее поступившего с пищей.
Пестициды. Под пестицидами обычно понимают химические средства сдерживания, регуляции, защиты и борьбы с вредными организмами в сельском, лесном хозяйстве и здравоохранении. В настоящее время используют более 1000 веществ в качестве пестицидов. Несмотря на то, что сельскохозяйственное производство нуждается в применении пестицидов, их использование наносит ущерб окружающей среде.
Большая часть пестицидов является ксенобиотиками, т.е. веществами, чуждыми природе. Только 1-3% применяемых пестицидов действует на организм-мишень, остальное количество распространяется в окружающей среде и включается в пищевые цепи. При этом может происходить биоаккумуляция – многократное увеличение концентрации пестицида при продвижении его по пищевым цепям. Так, например, концентрация ДДТ изменялась следующим образом: вода в озере Мичиган (0,001 мг/л) – жир рыб (3.5 мг/кг) – жир чаек (100мг/кг) – жир человека 3-113 мг/кг. Более половины примененного ранее ДДТ циркулирует в биосфере.
Под действием живых организмов и абиотических факторов среды происходит биотрансформация – изменение химических свойств пестицидов. При этом возможны детоксикация – потеря токсичности, а также токсификация – увеличение токсичности (например, у гербицида атразина).
Помимо биоаккумуляции и токсификации неблагоприятное действие пестицидов проявляется в следующем:
накопление в объектах окружающей среды;
появление устойчивых к пестицидам форм вредных организмов;
гибель некоторых полезных организмов, уменьшение биоразнообразия и устойчивости природных экосистем;
отдаленные последствия, связанные с патологическим и мутагенным действием на живые организмы.
Особую опасность представляет смыв пестицидов в водоемы (от 30 до 70%). При этом нарушается функция размножения животных, происходит их массовая гибель. Попадая в почву, пестициды воздействуют на почвенную биоту (микрорганизмы, червей, и др.). Изменение почвенного биоценоза может приводить к подавлению почвообразовательного процесса и деградации почв.
Хлорорганические пестициды в течение нескольких десятилетий занимали одно из первых мест по масштабам использования в сельском хозяйстве. Они устойчивы к высокой температуре, солнечной радиации, действию сильных кислот и щелочей. Характеризуются прочностью образуемых химических связей, слабой растворимостью в воде. Эти свойства предопределяют длительное сохранение препаратов в окружающей среде (период полураспада в почве 10-15 лет), способность циркулировать в природе и распространяться на большие расстояния, загрязняя природные компоненты.
При распаде пестицидов в растениях могут образовываться различные соединения (метаболиты), вступающие в реакции ни-трозирования. Об этом свидетельствует обнаружение в растительных тканях N-нитрозосимазина и N-нитрозоатразина, представляющих канцерогенную опасность. Хлорорганические соединения и препараты диоксинового синтеза, которые сохраняются длительное время в почве, могут попадать в цепи питания человека и животных. В связи с этим необходимо нормирование содержания стойких пестицидов не только в пищевых продуктах, но и в почвах. Если содержание пестицидов в почве выше ПДК, то некоторые культуры (морковь, петрушка, картофель) не рекомендуется выращивать на данном поле, поскольку часть препаратов может накапливаться в товарной части урожая.
Диоксины. Опасность диоксинов как веществ, относящихся к разряду супертоксикантов, в конце 70-х гг. XX в. приобрела общепланетарные масштабы. Угрозу человечеству от этой группы веществ можно сравнить с последствиями применения ядерного оружия. Особо опасны для окружающей среды и человека, главным образом, тетразамещенные диоксины. Они входят в состав пестицидов комплексного действия в качестве микропримеси. Наиболее важные химические характеристики диоксинов – чрезвычайная стабильность в сильнокислых и щелочных растворах, высокая устойчивость к окислителям. Диоксины прочно связываются с частицами почвы, поэтому плохо вымываются дождями. Однако их подвижность резко снижается с увеличением содержания в почве органического вещества. Диоксины концентрируются в основном в верхнем 15-сантиметровом слое почвы, а наибольшее их количество находится на глубине 5-10 см.