Влияние кислотных осадков на биосферу и человека

Кислотные осадки оказывают вредное воздействие не только на отдельные предметы или живые существа, но и на их совокупность. В природе и окружающей среде образовались сообщества растений и животных, между которыми происходит постоянный обмен веществ. Эти сообщества, также называемые экологической системой, обычно состоят из четырех групп: неживые объекты, живые организмы, потребители и разрушители.

Влияние кислотности прежде всего сказывается на состоянии пресных вод и лесов. Обычно воздействия на сообщества бывают косвенными, т. е. опасность представляют не сами кислотные осадки, а протекающие под их влиянием процессы (например, высвобождение алюминия). Хотя многие виды растений в состоянии выдержать эти воздействия, при выпадении значительных количеств кислотных осадков отношение алюминий — кальций в почвенных водах настолько возрастает, что ослабляет рост корней и создает опасность для существования деревьев. Происходящие в составе почвы изменения могут преобразовать состав микроорганизмов в почве, оказать воздействие на их активность и тем самым повлиять на процессы разложения и минерализации, а также на связывание азота и внутреннее закисление. Так, гибель лесов в Западной Европе произошла главным образом под влиянием косвенных воздействий. Почти полностью погибли леса на площади в несколько сотен тысяч гектаров.

В Венгрии, согласно исследованиям экологов, погибло более 10% дубов в северном горном массиве. Вероятной причиной омертвения дубов является разрушение прикрепившихся к их корневой системе грибов Mikorrhiza. Эти грибы, находясь в симбиозной связи с отдельными высшими растениями (в данном случае с дубом), в несколько раз увеличивают способность корневой системы впитывать питательные вещества.

Аналогичная ситуация сложилась с очень редкими, находящимися под охраной растениями — орхидеями. По данным экологов, они в отдельных местах полностью исчезли или значительно поредели.

Серьезную озабоченность вызывает тот факт, что в результате гибели наиболее чувствительных к закислению организмов (микроорганизмов почвы, грибов, дубов) может негативно измениться материальный и энергетический баланс живых сообществ и в конечном счете сам человек также пострадает из-за происходящих при этом необратимых процессов.

Обрабатываемые земли (пашни) находятся в несколько ином положении по сравнению с естественными лесными системами. Причиной повышения кислотности обрабатываемых земель в первую очередь является широкое применение минеральных удобрений. Например, суперфосфаты содержат несколько процентов свободной серной кислоты; азотистые удобрения содержат значительные количества нитратов и соединений аммония.

На леса и пашни кислотные осадки воздействуют либо косвенным путем (через почву и корневую систему), либо непосредственно (главным образом через листву). Подкисление почвы определяется различными факторами. В отличие от вод почва обладает способностью к выравниванию кислотности среды, т. е. до определенной степени она сопротивляется усилению кислотности. Попавшие в почву кислоты нейтрализуются, что ведет к сохранению существенного закисления. Однако наряду с естественными процессами на почвы в лесах и на пашнях воздействуют антропогенные факторы.

Химическая стабильность, способность к выравниванию кислотности, склонность почв к закислению изменчивы и зависят от качества подпочвенных пород, генетического типа почвы, способа ее обработки (возделывания), а также от наличия поблизости значительного источника загрязнений. Кроме того, способность почвы сопротивляться влиянию кислотности зависит от химических и физических свойств подстилающих слоев. На рис. 5.1 показана способность почв к закислению в различных частях Земли.

Косвенные воздействия проявляются по-разному. Например, осадки, содержащие соединения азота, некоторое время способствуют росту деревьев, так как снабжают почву питательными веществами. Однако постоянное потребление азота грозит лесу перенасыщением. В этом случае увеличивается вымывание нитратов, что ведет к закислению почвы. Во время выпадения осадков вода, стекающая с листьев, содержит больше серы, калия, магния, кальция и меньше нитрата и аммиака. Как следствие, возрастают потери необходимых для растений кальция, магния, калия, что ведет к повреждению деревьев. Поступающие в почву ионы водорода могут замещаться находящимися в ней катионами, в результате чего происходит либо выщелачивание кальция, магния и калия, либо их седиментация в обезвоженной форме. Далее возрастает подвижность токсичных тяжелых металлов (марганец, медь, кадмий и др.) в почвах с низкими значениями pH.

Растворимость тяжелых металлов также сильно зависит от pH. Растворенные и вследствие этого легко поглощаемые тяжелые металлы являются ядами для растений и могут.

Рис. 5.1. Способность почв к закислению в различных частях Земли:

1 — высокая; 2 — выше средней, 3 — средняя; 4 — низкая привести к их гибели. Широко известно, что алюминий, растворенный в сильнокислой среде, ядовит для живущих в почве организмов.

Избыток удобрений также вреден для почвы. Определенное количество ионов аммония отдает в почву соответствующее количество ионов водорода, что ведет к ее закислению. Согласно исследованиям, в Венгрии наблюдается стремительное закисление обрабатываемых земель. Частично это объясняется тем, что при уборке растений происходит перенос веществ производительного слоя, из-за чего снижается щелочная среда почвы. Главной же причиной является внесение минеральных удобрений. Для нейтрализации их действия на 1 га нужно внести 300—400 кг карбоната кальция в год, в то время как для нейтрализации действия кислотных осадков достаточно около 10 кг карбоната кальция. Таким образом, на интенсивно удобренных территориях кислотные осадки играют только второстепенную роль в закислении почв. По мнению отдельных специалистов, из-за внесения удобрений в Венгрии может начаться закисление почвы в катастрофических размерах. Этого можно избежать только регулярным известкованием почвы, а также исключением использования аммонийсодержащих минеральных удобрений.

Закисление пресных вод — это потеря ими способности к нейтрализации. Закисление вызывают сильные кислоты, главным образом серная и азотная. При этом если процесс длительный, то главную роль в нем играют сульфаты, если процесс кратковременный (например, таяние снега), — сульфаты и нитраты. На больших территориях при повышении определенных значений кислотности осадков поверхностные воды оказываются кислыми. Если почва теряет способность нейтрализовать кислоты, то значение pH может снизиться на 1,5, а в крайних случаях — даже на 2 или 3 единицы. Частично закисление происходит непосредственно под действием осадков, но в большей мере — за счет веществ, смываемых с территории водного бассейна. Начиная с 60-х гг. XX в. наблюдалось изменение pH воды одного из шведских озер. Установлено, что кислотность увеличилась почти в 100 раз, т. е. значение pH уменьшилось на два.

Особенно интенсивно происходит закисление озер в Скандинавских странах и Канаде. Большинство озер Скандинавии имеют гранитное или бедное известняками ложе. Такие озера обладают гораздо меньшей способностью к нейтрализации кислот, чем озера, расположенные на территориях, богатых известняком. Это связано с тем, что из известняковых почв выделяется ион гидрокарбоната, который обеспечивает щелочную среду и, следовательно, способность к нейтрализации кислот. Подобная ситуация сложилась и с большинством озер Венгрии. Например, pH воды в озере Балатон больше 8, таким образом, вода этого озера — щелочная.

Процесс закисления поверхностных вод состоит из трех фаз:

• 1) уменьшение количества ионов гидрокарбоиата (т.е. способности к нейтрализации) при неизменяющемся значении pH;
• 2) уменьшение pH при уменьшении количества ионов гидрокарбоната. Значение pH тогда падает ниже 5,5;
• 3) стабилизация кислотности раствора при pH = 4,5. В этом случае кислотность раствора регулируется реакцией гидролиза соединений алюминия. В такой среде способны жить только немногие виды насекомых, растительный и животный планктон, а также белые водоросли.

Многие виды животных и растений начинают погибать уже при значениях pH < 6, а при pH < 5 не обеспечиваются условия для нормальной жизни.

Гибель живых существ может быть вызвана не только действием ядовитого иона алюминия, но и другими причинами. Под действием иона водорода, например, выделяются кадмий, цинк, свинец, марганец, а также другие токсичные тяжелые металлы. Как следствие, количество питательных растительных веществ, например фосфора, начинает уменьшаться, так как в растворе ион алюминия образует с ионом ортофосфата нерастворимый фосфат алюминия, который осаждается в виде донного осадка:

Гибель водных живых сообществ может приводить к закислению воды и выделению тяжелых металлов, а также к нарушению экологического равновесия. Уменьшение pH воды сопровождается сокращением популяции или гибелью рыб, земноводных, фитои зоопланктона, а также прочих живых организмов. Озерам, вода которых имеет близкий состав питательных веществ и ионов, но разную кислотность, присущи весьма заметные характерные различия во флоре и фауне.

До определенных пределов млекопитающие, в том числе и человек, защищены от вредного влияния кислотности, однако в организмах водных животных накапливаются ядовитые тяжелые металлы, которые могут попасть в пищевую цепочку. Наибольших масштабов достигло закисление озер и рек Швеции, Норвегии, США, Канады. Этот процесс уже начал распространяться в Дании, Бельгии, Голландии, ФРГ, ГДР, Шотландии и Югославии.

Изучение 5000 озер южной части Норвегии показало, что в 1750 из них исчезли популяции рыб, а 900 другим озерам угрожает серьезная опасность. Гибель рыбы из-за постоянного выпадения кислотных осадков продолжается. На юге и в центральной части Швеции отмечены потери рыбы в 2500 озерах, то же грозит еще 6500 озерам, где обнаружены признаки закисления. Почти в 18 000 озер pH воды меньше 5,5, что отрицательно влияет на популяцию рыб. В Канаде и на севере США существуют аналогичные проблемы. В Онтарио приблизительно 50 000 озер, имеющих гранитное ложе, подвержены относительно сильному действию соединений серы. Опыт озер Скандинавии заставляет предположить, что в будущем озера названных стран начнут закисляться.

В северной части США уже отмечено сокращение популяции лосося приблизительно в 100 озерах. В Венгрии проблем, связанных с закислением поверхностных вод, к счастью, не возникает, поскольку в этих водах имеется большое содержание карбонатов и гидрокарбонатов, которые способны нейтрализовать кислоты. Согласно проведенным исследованиям воды венгерских рек и озер в большинстве своем способны выдерживать на протяжении долгого времени даже возросшие нагрузки. Исключением являются лишь некоторые водохранилища, вода которых химически нейтральна, а следовательно, отличается низкой способностью к выравниванию кислотности.

Наибольшая гибель растений наблюдается, как правило, в непосредственной близости от источников загрязняющих веществ в радиусе нескольких десятков километров, что объясняется высокой концентрацией диоксида серы. Это соединение адсорбируется на поверхности растения, в основном на его листьях. Проникая в организм растения, оно принимает участие в различных окислительных процессах, протекающих с участием свободных радикалов, образованных в результате химических реакций. Свободные радикалы окисляют жирные ненасыщенные кислоты мембран, тем самым изменяют их проницаемость, что в дальнейшем отрицательно влияет на многие процессы (дыхание, фотосинтез и др.).

Непосредственные воздействия на растения проявляются по-разному: приводят к генетическим изменениям; вызывают видовые изменения; наносят прямой вред растениям. Естественно, в зависимости от чувствительности вида и размеров нагрузки масштаб воздействия может быть различным: от восполнимого (обратимого) ущерба до полной гибели растения. В первую очередь погибают наиболее чувствительные виды, например отдельные лишайники, способные сохраниться только в самой чистой среде, поэтому их считают «индикаторами» чистого воздуха.

Обычно в сильнозагрязненных местах образуется «лишайная пустыня». В современных городах она существует уже при средней концентрации диоксида серы 100 мкг/м². В центре города лишайник вообще отсутствует, а на окраинах встречается крайне редко. Впрочем, существуют отдельные виды лишайника, которые хорошо переносят нагрузки диоксида серы, и иногда они занимают место погибших видов лишайника.

Кислотные атмосферные соединения, естественно, могут оказывать прямое вредное воздействие и на растения более высокого класса. Непосредственный вред, наносимый диоксидом серы, зависит от многих факторов — климата, вида деревьев, состояния почвы, способов обработки леса, pH влажных осадков и др. Опасный уровень атмосферного диоксида серы на самом деле гораздо ниже, чем считалось раньше, так как определенные физиологические и биохимические изменения могут происходить без каких-либо признаков гибели. Более того, эта опасная граница становится еще ниже при воздействии диоксида азота, озона, кислотного дождя и т. д.

Причастность диоксида серы к гибели лесов, таким образом, можно считать доказанной. Также выявлено вредное влияние влажных кислотных осадков на рост деревьев. Однако эти осадки прежде всего влияют косвенно — через почву и корневую систему. В наибольшей степени непосредственная гибель растений наблюдается в районах с сильнозагрязненным воздухом, например в Средней Европе. Сухие осадки, содержащие диоксид серы, уже атаковали леса Чехии, Польши и Германии. Возможно, наибольший ущерб причинен Германии, где наполовину погибла треть всех лесов. Однако считается, что на упомянутых территориях гибель леса связана не столько с диоксидом серы, сколько с оксидами азота, которые образуются из выхлопов автомобилей. Оксиды азота под действием солнечных лучей выделяют озон. Озон с оксидами азота, а также частично с углеводородами, поступающими в атмосферу не только с выхлопными газами, но и из других источников, образует весьма агрессивное вещество — пероксиацетилнитрат (ПАН).

Атмосферные кислотные микроэлементы не щадят и человека. Однако в этом случае речь идет о вреде не только кислотных дождей, но и кислотных веществ (диоксида серы, диоксида азота, кислотных аэрозольных частиц) при дыхании.

Давно установлено, что существует тесная зависимость между уровнем смертности и степенью загрязненности района. При концентрации оксидов около 1 мкг/м² возрастает число летальных исходов, в первую очередь среди людей старшего поколения и лиц, страдающих заболеваниями дыхательных путей. Согласно статистическим данным такое серьезное заболевание, как ложный круп, требующее моментального вмешательства врача и распространенное среди детей, также возникает вследствие чрезмерной загрязненности места жительства. По этой же причине наблюдается повышенная смертность новорожденных в Европе и Северной Америке, которая ежегодно исчисляется несколькими десятками тысяч младенцев.

Кроме оксидов серы и азота, опасны для здоровья человека аэрозольные частицы кислотного характера, содержащие сульфаты или серную кислоту. Степень их опасности зависит от размеров. Так, пыль и более крупные аэрозольные частицы задерживаются в верхних дыхательных путях, а мелкие (менее 1 мкм) капли серной кислоты или частицы сульфатов могут проникать в самые дальние участки легких. Физиологические исследования показали, что степень вредного воздействия прямо пропорциональна концентрации загрязняющих веществ. Однако существует пороговое значение, ниже которого даже у самых чувствительных людей не возникает никаких отклонений от нормы. Например, для диоксида серы среднесуточная пороговая концентрация для здоровых людей составляет приблизительно 400 мкг/м².

На человека косвенно влияет и закисление окружающей среды. Из предыдущих глав следует, что косвенные воздействия в первую очередь оказывают токсичные металлы (алюминий, тяжелые металлы). Эти металлы легко могут попасть в пищевую цепочку, в конце которой стоит человек. Проведенные в Венгрии исследования показали, что содержание цинка в свинине и говядине, а также в мясных продуктах довольно часто превышает допустимый уровень (10%). Кадмий также встречается в говядине в концентрациях, превышающих допустимые.