О.С.ГАБРИЕЛЯН, Т.Н.ПОПКОВА,
Г.А.СИВКОВА, С.А.СЛАДКОВ

Вода в нашей жизни

Учебно-методическое пособие к элективному курсу
для 9 класса основной школы или 10–11 классов
базового уровня средней школы

Продолжение. Начало см. в № 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 18, 19/2009

§ 15. АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДОЕМОВ

Цель. Продолжить воспитание бережного отношения к сохранности водных ресурсов, развитие навыков работы с научно-популярной литературой при подготовке тематических сообщений.

Форма занятия. Сообщения учащихся.

План занятия

История очистки сточных вод.

Антропогенное загрязнение водоемов.

Радиационная экология.

Органические загрязнители.

Загрязнение водоемов нефтепродуктами.

Неорганические экотоксиканты.

Учитель в начале урока зачитывает фрагменты из статьи «Дефицит пресной воды» (газета «Аргументы и факты», 2008, № 4), где приводятся сведения о загрязнении питьевой воды и ее нехватке на планете. В данной статье директор Института водных проблем РАН Виктор Данилов-Данильян, отмечает, что в условиях дефицита пресной воды живут 1,1 млрд землян. К 2025 г. их число перевалит за 3 млрд.

Учитель предлагает рассмотреть, какие методы очистки сточных вод применялись в прошлые времена.

Сообщение «История очистки сточных вод»

Первые сведения о бережном отношении к водным ресурсам можно встретить в трудах историка Геродота. В IV в. до н.э. он писал о жителях засушливой Персии: «В реку они не пускают мочи, не плюют, не моют в ней руки и никому другому этого не позволяют: реки они чтят очень высоко». Мифический же герой Геракл, по-видимому, был первым в мире тружеником, открывшим человечеству путь к загрязнению водоемов. Как свидетельствует литературный источник, он за один день изготовил плотину на реке и направил ее течение на скотный двор. Таким образом Геракл быстро очистил конюшни царя Авгия, где за 30 лет накопились горы навоза.

Развитие цивилизации на протяжении многих веков напоминало расчистку «авгиевых конюшен». Сточные воды выпускались непосредственно в водоемы, на берегах которых обычно и располагались промыслы – для удобства снабжения чистой водой и сброса нечистот. Такой способ загрязнения водоемов воспринимался как неизбежное зло, поскольку методы очистки сточных вод еще не существовали.

При раскопках в Египте обнаружены каналы для сточных вод, построенные за 2500 лет до н.э. Аналогичные сооружения существовали еще раньше в Индии. В VI в. до н.э. в Риме был построен знаменитый канал «клоака максима», частично используемый в современной канализации Рима. Эти сооружения требовали значительных затрат труда и обязательного подведения воды. И осуществлялись только для дворцов, храмов и общественных купален.

В эпоху феодализма начинается бурное развитие промышленности и увеличение городского населения, одновременно ухудшается санитарное и экологическое состояние городов. Они буквально стали утопать в нечистотах, что привело к загрязнению питьевой воды в колодцах и широкому распространению инфекционных заболеваний. Участившиеся эпидемии опустошали Европу. Возникла необходимость строительства водопроводов для доставки чистой воды в города и сооружения канализации для отведения стоков.

После длительного периода застоя в средневековье, интенсивное строительство канализационных систем и водоснабжения началось в Европе только в XIX в. Смертность населения в городах значительно сократилась, особенно резко снизилась заболеваемость кишечными инфекциями.

Решение экологических проблем привело к интенсивному градостроительству, земельные участки стали использоваться более рационально. Устройство централизованного водоснабжения и канализации способствовало увеличению плотности населения и этажности застроек.

Англия одной из первых встала на путь промышленного развития, в 1830-х гг. в 50 городах имелись канализационные системы. Значительно позже началось их устройство в Германии, например в Гамбурге – с 1843 г., во Франкфурте-на-Майне – с 1867 г., в Берлине – с 1873 г., а к концу ХIХ в. более полусотни городов было с централизованным водоснабжением.

Гораздо медленнее происходило строительство коммуникаций во Франции. Так, в Париже в 1824 г. было 36 км сточных каналов, в 1856 г. их стало в четыре раза больше. И только в 1935 г. протяженность канализации в Париже достигла 1200 км. В США к 1902 г. система отвода нечистот имелась в 1000 городов.

Развернувшееся в Европе строительство канализации обеспечивало только отведение загрязненных сточных вод и выпуск их в водоемы без очистки. Англия первой ощутила приближение экологической катастрофы. Промышленные стоки все возрастали, а реки в стране были маловодными. Они не обеспечивали необходимого разбавления сточных вод и самоочищения водоемов. Не случайно в Лондоне в 1861 г. был издан закон об очистке и освобождении сточных вод от фекальных масс и гниющих веществ перед выпуском в реки. Позднее были установлены и нормы очистки стоков.

Россия сильно отставала в объеме строительства канализации от других стран, хотя первые известные подземные каналы для отвода сточных вод были устроены в XIV в. в Новгороде. В середине XVIII столетия в Петербурге началось строительство сточных каналов, вскоре их протяженность составила 95 км.

В Москве к 1825 г. были построены крупные Самотечный и Глинский каналы, служившие для отвода атмосферных и сточных вод от зданий. В 1829 г. было начато строительство канализации в городе Старая Русса, в последующие годы – и в городах, отдаленных от столицы.

Сообщение «Антропогенное загрязнение водоемов»

Развитие промышленности, транспорта, сельского хозяйства, перенаселенность некоторых городов привели к значительному загрязнению водоемов. Ученые приводят печальную статистику – ежегодно в мире сбрасывается более 42 км³ сточных вод, которые делают непригодными около 7000 км³ воды. В начале ХХI в. практически невозможно отыскать водоем, который имел бы чистую природную воду.

Современные экологи вынуждены классифицировать загрязнения, например, выделяют химические, бактериологические и радиоактивные.

Можно отметить основные факторы, ухудшающие качество природных вод в результате хозяйственной деятельности людей.

1. Снижается pH пресных вод и увеличивается содержание в них сульфатов и нитратов в результате загрязнения серной и азотной кислотами из атмосферы.

2. Выбросы кислотных оксидов в атмосферу приводят к подкислению дождевой воды. Просачиваясь в нижние слои почвы, она лучше растворяет карбонатные породы. Это вызывает увеличение содержания в подземных и речных водах ионов кальция, магния и других, т.е. увеличивается жесткость воды.

3. Повышается содержание в природных водах фосфатов, нитратов, нитритов и аммонийного азота за счет сельскохозяйственных предприятий.

4. Возрастает содержание в природных водах ионов тяжелых металлов, прежде всего кадмия, ртути, мышьяка и цинка.

5. Растет содержание в водах органических соединений, прежде всего биологически стойких, в том числе синтетических ПАВ, иногда фиксируются канцерогенные и мутагенные вещества.

6.?Катастрофически снижается содержание кислорода в природных водах, прежде всего в результате повышения его расхода на окислительные процессы, связанные с «цветением» водоемов, а также вследствие загрязнения поверхности вод нефтепродуктами.

7. При значительном уменьшении кислорода в воде развиваются восстановительные процессы, в частности сульфаты восстанавливаются до сероводорода.

8. Существует потенциальная опасность загрязнения природных вод радиоактивными изотопами химических элементов.

К сожалению, многие реки России находятся под гнетом указанных факторов. Только в Волгу с ее притоками каждые сутки сбрасывают 6 млн м³ отравленных вод, на долю нефтепродуктов приходится 11 000 т, сульфатов – 26 000 т, золы и других химических соединений – 365 000 т. В старину существовала поговорка: «Волга добрая лошадка – все свезет». Увы, указанные тонны загрязнений ставят под сомнение справедливость этой поговорки.

Современные экологи вынуждены подразделять воду на несколько видов.

Природная вода – качественно и количественно формируется под влиянием естественных процессов при отсутствии антропогенного воздействия. Ее показатели находятся на естественном среднемноголетнем уровне.

Сточная вода – бывшая в бытовом, производственном или сельскохозяйственном употреблении, а также прошедшая через какую-либо загрязненную территорию, в том числе населенного пункта.

Природная вода, подвергаемая антропогенному загрязнению, например путем смешения со стоками, называется денатурированной или природно-антропогенной.

Интересно заметить, что в средние века человек тратил на себя всего 12–18 л воды в день, к концу ХХ в. этот показатель в Европе составил 150–260 л. Если включить в этот показатель не только бытовые нужды, но и затраты на мытье автотранспорта, полив городских улиц и другое, расход воды составляет 400–600 л в сутки!

Сообщение «Радиационная экология»

В настоящее время из вырабатываемой электроэнергии в мире на долю атомной энергетики приходится 17 %, гидроэлектростанции поставляют 19 %. Многие считают, что ГЭС являются экологически чистым источником энергии. К сожалению, имеется и много отрицательных аспектов в использовании энергии рек. Например, в России затоплено 80 000 км² сельскохозяйственных и пастбищных угодий. На этой территории меняется микроклимат, нарушаются условия жизни флоры и фауны, замедляется водообмен и самоочищение рек, проявляется эрозия берегов и др. К сожалению, нередки и трагические ситуации, например в Индии в 1979 г. при прорыве плотины Гуджерат погибло 15 тыс. человек.

Известно, что на атомных электростанциях используется морская или речная вода для конденсации отработанного в турбинах пара. Это может привести к радиоактивному, тепловому загрязнению вод и ставит под угрозу их использование для хозяйственных нужд. Повышение температуры воды в районах сброса на 6–8 градусов уменьшает содержание кислорода в водоеме, что отрицательно влияет на экосистемы.

Радиоактивные изотопы химических элементов могут попадать в окружающую среду, прежде всего в водоемы, с недостаточно очищенными радиоактивными сточными водами. Это происходит порою и при ненадежном захоронении жидких и твердых отходов атомных электростанций и химических предприятий по переработке ядерного топлива, а также вследствие выпадения радиоактивных частиц из атмосферы на поверхность Земли вместе с дождем и снегом. Так, в результате производственной деятельности Челябинского ПО «Маяк» река Теча и ее пойменные земли оказались загрязненными радионуклидом стронций-90. В 2008 г. на некоторых загрязненных территориях Челябинской области проведено отселение людей.

При употреблении загрязненной воды, молока и пищи радиоизотопы легко проникают в клетки организма, накапливаются в нем. Альфа-, бета-, гамма-лучи поражают организм, вызывают онкологические заболевания, генетические повреждения клеток. Например, радиоактивные уран, торий, излучающие тяжелые альфа-частицы, очень легко разрушают молекулы ДНК в ядрах клеток и поэтому считаются наиболее опасными для живых организмов.

Многие эксперты считают, что на современном уровне развития цивилизации атомная энергетика может и должна стать практически безопасной. По подсчетам специалистов через 50 лет запасы нефти начнут истощаться.

Ведущий. В конце учебного года мы будем иметь представление о строении многих классов органических соединений, но хотелось бы узнать об их воздействии на водные экосистемы сейчас.

Сообщение «Органические загрязнители»

Нашу жизнь нельзя представить без химической продукции. С помощью органических веществ мы стираем, чистим, проводим ремонт помещений и решаем много других бытовых проблем. По некоторым прогнозам к 2010 г. мировой выпуск товаров бытовой химии может превысить 300 млн т в год!

Химики и технологи прикладывают немало усилий для создания экологически чистых препаратов бытовой химии. Особое внимание уделяется упаковке, она должна перерабатываться либо быстро разрушаться при попадании в окружающую среду без выделения вредных веществ. К сожалению, разнообразные обертки, пластиковая тара не выбрасываются в мусорные баки, а «украшают» улицы наших городов.

Десятки миллионов тонн органических соединений попадают в окружающую среду. Они ежегодно поступают в атмосферу и водоемы при потере, неполном сгорании органического топлива. «Львиную долю» составляют бытовые и промышленные жидкие, твердые и газообразные отходы.

В окружающей среде органические соединения разрушаются под воздействием различных физико-химических и биологических факторов. Многие вещества распадаются за сравнительно короткий срок (10–100 дней) вплоть до полной минерализации. В ряде случаев промежуточные продукты разложения органических соединений оказываются более токсичными загрязнителями, чем исходные вещества, и природа подвергается вторичному химическому загрязнению.

Особую опасность представляют биологически стойкие, трудно окисляемые органические соединения. Они способны накапливаться в окружающей среде и в течение длительного времени оказывать токсическое воздействие на живые организмы. К ним относятся некоторые средства защиты растений от вредителей и сорняков. Многие из них разрушаются очень медленно (иногда в течение нескольких лет). Например, препарат ДДТ, известный более под названием «дуст», был запрещен во всех странах в 70-х гг. ХХ в. Это соединение спасло тысячи жизней от смертельной болезни – малярии, но ДДТ очень долго сохранялся в природе, накапливаясь в живых организмах. Токсическое действие этого препарата и продуктов его распада было поводом для запрета к применению.

Особую опасность представляют органические соединения азота и фосфора, в больших количествах попадающие в водоемы с бытовыми промышленными сточными водами, из атмосферы, а также при вымывании минеральных и органических удобрений из почвы. Так, в водоемы мира ежегодно поступает от 3 до 6 млн т фосфатов. Они стимулируют развитие сине-зеленых водорослей, при их гниении происходит «цветение» водоемов, в воде появляются сероводород, фенолы и другие токсичные продукты, исчезает кислород и вода становится мертвой.

Сообщение «Загрязнение водоемов нефтепродуктами»

Особую группу химических загрязнителей составляют нефтепродукты. Общая масса нефтепродуктов, попадающих ежегодно в моря и океаны, доходит до 6,1 млн т, из них 2,1 млн т составляют потери при транспортировании нефти, 1,9 млн т выносится реками, остальное количество поступает с городскими, промышленными отходами прибрежных районов.

Степень воздействия нефтепродуктов на водную среду определяется, прежде всего, их составом. В нефти содержится до 5 % серы, 1 % азота. В водной среде нефтепродукты образуют пленку, одна тонна нефти может растекаться и покрыть поверхность воды, равную 20 км², в течение 6–7 суток. С морской акватории за несколько дней испаряется до 25 % от общей массы нефтепродуктов, тяжелые фракции оседают на дно водоема, при этом погибает часть водорослей, микроорганизмов и других обитателей морских глубин. Например, разлив нефти в 2007 г. привел к загрязнению прибрежной зоны Франции на 400 км, позднее судебные органы предписали владельцу танкера выплатить 192 млн евро за экологический ущерб.

В Федеральном законе «Об охране окружающей среды» в статье 16 записано:

«1. Негативное воздействие на окружающую среду является платным...

2. К видам негативного воздействия на окружающую среду относятся:

сбросы загрязняющих веществ, иных веществ и микроорганизмов в поверхностные водные объекты, подземные водные объекты и водосборные площади;

загрязнение недр, почв;

загрязнение окружающей среды шумом, теплом, электромагнитными, ионизирующими и другими видами ионизирующих воздействий…»

К сожалению, в нашей стране штрафные санкции за загрязнения водоемов еще достаточно условны.

Ведущий. Интересно было бы послушать мнение специалистов о неорганических веществах, которые в наибольшей степени нарушают экологическое равновесие в акваториях.

Сообщение «Неорганические экотоксиканты»

Прежде всего, к стойким химическим загрязнителям кумулятивного (накопительного) действия относятся тяжелые металлы. В тройку наиболее экологически опасных и токсичных входят свинец, ртуть и кадмий. Стоит напомнить, что более 35 металлов извлекаются из руд, находящихся в недрах Земли или на ее поверхности. В процессе переработки руд сжигается много топлива и в атмосферу попадают не только углекислый газ, сажа, но и многие другие соединения. Они тоже вносят свою лепту в загрязнение почвы и водоемов.

Поступая в водоемы, ионы тяжелых металлов вступают во взаимодействие с другими компонентами среды, нередко образуются такие смеси, которые оказывают на водные организмы токсическое воздействие, значительно превышающее сумму действия отдельных компонентов. Так, соединения ртути вызывают нарушения белкового обмена, они вступают во взаимодействие с ферментами, некоторыми аминокислотами. В литературе описан случай массового отравления ртутью в Японии. Подтверждено, что некоторые соединения ртути могут накапливаться в рыбе, а затем с пищей попадать в организм человека.

Поведение тяжелых металлов в реальных средах достаточно сложное, их накопление в живой природе вызывает серьезное беспокойство во всем мире. Их поступление в атмосферу, водоемы и на земледельческие поля должно быть приостановлено и взято под строгий контроль.

Отдельную группу химических загрязнителей составляют неорганические соли не столь токсичных металлов, которые накапливаются в пресных водах. Приходится вкладывать больше средств в водоподготовку на электростанциях и промышленных предприятиях. Неорганические соли делают воду малопригодной для питья, полива сельскохозяйственных угодий, ухудшаются условия нереста рыб.

Основными источниками поступления солей в водоемы являются дренажные сельскохозяйственные воды, промышленные сточные воды. Усилия экологов, технологов направлены на поиск эффективных методов опреснения сточных вод. Лишь на некоторых промышленных предприятиях созданы бессточные и замкнутые водооборотные системы с обессоливанием воды.

В заключение учитель предлагает каждому ученику поучаствовать в создании «Водного кодекса ХХI века». Свои предложения можно записать в тетрадях, рабочая группа их обобщит и подготовит окончательный вариант. Всеобщее обсуждение кодекса целесообразнее приурочить к 22 марта – это Всемирный день воды.

Л и т е р а т у р а

Тимофеев И.В. Как очистить воду. Ростов-на-Дону: Феникс, 2000; Федоров Л.А. Диоксины в питьевой воде. Химия и жизнь, 1993, № 3; Воронцов А.И., Харитонова Н.З. Охрана природы. М.: Высшая школа, 1977; Федеральный закон «Об охране окружающей среды». М.: Экзамен, 2007.

Печатается с продолжением