3.1 Поняття про біосферу

Біологічні види, в тому числі і людина, можуть існувати і розвиватись на Землі лише в певних умовах, до котрих вони адаптувались протягом еволюції. Існування людини супроводжується встановленням певної взаємодії з природою, зумовленої її життєдіяльністю. Внаслідок цього відбуваються зміни природних умов під впливом діяльності людини. Недотримання законів природокористування негативно впливає на довкілля і справляє негативний вплив на умови життєдіяльності існуючого та наступних поколінь людей.

Проблеми взаємодії між живими організмами та середовищем їх існування вивчає екологія. Цей термін було запропоновано в 1869 р. німецьким біологом Ернестом Геккелем. Він складається з двох грецьких слів “огікос” (житло) і “логос” (вчення). Екологія вивчає організацію життя на рівнях організації організму (окремої особини), популяції (сукупності особин одного виду) та біоценозу (сукупності популяцій різних видів). Головним завданням екології є розробка науково обґрунтованих рекомендацій щодо охорони природи, природокористування та відновлення природних ресурсів.

Частина нашої планети, де поширене життя, називається біосферою. Вперше цей термін з’явився в XIX ст. в наукових працях австрійського вченого Е. Зюсса. Термін утворено поєднанням двох слів: біос – життя і сфера – куля. Автором сучасного вчення про біосферу є вітчизняний геохімік В. І. Вернадський. Згідно з визначенням В. І. Вернадського, біосфера – це зовнішня оболонка Землі, де поширене життя. До складу біосфери входять всі живі організми та елементи неживої природи, які формують середовище існування живих організмів. Товщина біосфери – 40–50 км. Для існування життя в біосфері необхідні вода та сонячна енергія, завдяки яким розвиваються рослини та тварини на Землі. До складу біосфери входить нижня частина атмосфери (25–30 км), вся гідросфера та літосфера (до глибини 3 км). Біосферу, крім живих організмів, формують також продукти життєдіяльності живих організмів, продукти розкладання та переробки порід живими організмами, вода.

Життя виникло на Землі 2,5–4,6 млрд. років тому у воді. За 0,5 млрд. років до нашого часу живі організми поширились на суходолі.

Людське суспільство – один з етапів розвитку життя на Землі. Діяльність людини справляє істотний вплив на довкілля, загрожуючи існуванню біосфери. Виходом з несприятливої екологічної ситуації є пошук раціональних, збалансованих взаємовідносин між людиною та біосферою. Цей етап еволюції життя на Землі пов’язується з етапом розвитку розуму, тобто ноогенезу. Згідно з вченням В. І. Вернадського, зараз відбувається поступовий перехід від біосфери до ноосфери. Ознакою ноосфери є збереження всіх природних характеристик, притаманних біосфері. Це вищий ступінь розвитку біосфери, етап розумного регулювання відносин між людиною та природою.

Біосфера неоднорідна і складається з сукупності екосистем. Екосистеми складаються з сукупності живих організмів – біоценозу і біотопу.

Біотоп – це сукупність абіотичних факторів і географічних умов, кількості сонячної радіації, параметрів та складу атмосфери, води, літосфери.

До складу біоценозу екосистеми входять тваринні та рослинні організми. Вони за формами живлення поділяються на продуцентів, консументів і деструкторів. Продуценти, до котрих відносяться рослини, перетворюють сонячну енергію в хімічну за рахунок фотосинтезу та використання мінеральних елементів. Продуценти продукують біохімічні речовини, необхідні для розвитку тварин, які є консументами. Деструктори розкладають мертві органічні речовини, виділення тварин та інші залишки, створюючи мінеральні речовини, які знову використовуються продуцентами.

Екосистема – основна структурна одиниця біосфери. Екосистеми займають певну частину біосфери. Площа екосистем може бути від декількох квадратних метрів до тисяч квадратних кілометрів, а товщина – від декількох сантиметрів (грунт пустель) до десятків кілометрів (океан). Процеси, які відбуваються в екосистемах, залежать від кількості енергії, яка надходить до екосистеми та від циркуляції речовин в ній.

Енергія, яка надходить до екосистеми, підпорядковується законам термодинаміки. Вона може переходити з одного виду в інший, але не може ні створюватись, ні втрачатись. Загальна енергія всесвіту залишається постійною. Перетворення енергії з одного виду в інший не може відбуватись без втрат, у вигляді розсіяної теплоти.

Нескінченна взаємодія абіотичних факторів та живих організмів екосистеми супроводжується кругообігом речовин між біотопом та біоценозом у вигляді мінеральних та органічних з’єднань, які чергуються. Організми поглинають речовини, які потрібні для підтримання життєдіяльності, викидають мінеральні та органічні речовини в навколишнє середовище. У воді та атмосфері безперервно циркулюють хімічні елементи та речовини.

Існує три типи біогеохімічних кругообігів: кругообіг води, кругообіг елементів в газоподібній фазі, кругообіг елементів в осадовій фазі.

Стан екосистем та процеси енерго- та масообміну в них залежать від антропогенного впливу, оскільки приплив сонячної енергії до біосистем та механізм фотосинтезу істотно залежать від складу атмосфери, а кругообіг хімічних елементів та речовин в екосистемах також чутливий до антропогенного впливу на всіх їх стадіях.

Проте екосистеми мають захисні властивості, які нівелюють наслідки стихійних лих. При цьому зруйновані екосистеми відновлюються або ж замість них формуються нові.

Енергетичний рівень стихійних явищ в біосфері з плином часу змінюється неістотно, а антропогенний вплив невпинно зростає.

Першим екологічно небезпечним здобутком людини був вогонь.

Розвиток сільського господарства забезпечив зростання маси їжі і зумовив зростання чисельності населення. Разом з тим сталися зміни у структурі початкового рослинного покриву, змінилися види тварин. Все це зумовило зміни та повне знищення деяких екосистем. Однак екосистеми періоду аграрної цивілізації зберігали здатність до регенерації, а науково-технічний прогрес призвів до зменшення різноманітності екосистем, накопичення відходів, які не мінералізувались деструкторами. В кругообіги почали вливатись штучні речовини, а це істотно порушувало природні кругообіги речовин.

     3.2 Основні причини виникнення екологічної кризи

На відміну від екологічної катастрофи, при виникненні якої людина є пасивним елементом необоротного природного процесу, екологічна криза розглядається як оборотний стан, в якому людина є активною, діючою стороною.

В широкому сенсі слова екологічна криза – фаза розвитку біосфери, яка характеризується якісним оновленням живої речовини (вимиранням одних видів та виникненням інших).

Людська цивілізація пережила ряд криз в передісторії та історії (рис. 3.1).

Зі зростанням споживання енергії за рахунок енергоресурсів Землі інтенсивно розвиваються транспортні системи, зростає промисловий потенціал провідних країн світу. Зростає використання природних ресурсів, але, разом а тим, відбувається масове утворення і накопичення відходів, порушуються кругообіги речовин, а високотоксичні речовини розсіюються в біосфері, активно забруднюючи її.

Основними причинами руйнування біосфери та екологічної кризи є:

– демографічний вибух;

– урбанізація населення;

– підвищене використання енергії, промислової продукції та використання транспортних засобів;

– інтенсифікація сільськогосподарського виробництва;

– екологічно нераціональне господарювання;

– аварії, катастрофи, військові навчання, випробування, війни.

Рисунок 3.1 – Екологічні кризи в передісторії та історії людства

Демографічний вибух. Інтенсивний розвиток сільського господарства, підвищення рівня життя, комфортності виробничої діяльності та побуту сприяють підвищенню тривалості життя. Одночасно зі зростанням тривалості життя в деяких регіонах зростає народжуваність (країни Африки, Центральна Америка, Ближній та Середній Схід, Південно-Східна Азія, Індія, Китай).

В наш час цілком обґрунтованою є думка про те, що щільність заселення Землі наближається до критичної величини.

Населення Землі зростає за експоненціальним законом. На початку нашої ери на Землі мешкало 250 млн. чоловік. Через 1,5 тис. років ця цифра подвоїлась. На початку XIX століття чисельність населення планети досягла 1 млрд., а в 1986 році на Землі жило 5 млрд. чоловік. На доповнення п’ятого мільярда вистачило лише 12 років. В листопаді 1999 року на Землі з’явився 6-мільярдний мешканець.

За відсутності опору середовища існування населення Землі до кінця XXI століття зросте до 30 млрд. чоловік. За цієї умови Земля не може при сучасному стані технологій забезпечити населення їжею і предметами першої необхідності.

З певного періоду почнуться голод, деградація біосфери, масові захворювання, зниження чисельності населення і внаслідок цього – руйнування людської спільноти.

Нинішні темпи зростання чисельності планети такі, що для забезпечення навіть наявних зараз умов існування кожне покоління, що з’являється, зобов’язане створити нову техноструктуру, яка відповідала б тій, яка в даний момент існує на Землі. Деякі країни, зокрема Китай та Індія, намагалися на законодавчому рівні обмежувати народжуваність, однак це не призвело до помітних позитивних результатів.

В Україні, незважаючи на її досить великі розміри та природні багатства, чисельність населення знижується поряд зі зниженням тривалості життя, що загалом свідчить про початок депопуляції.

Урбанізація. Одночасно з демографічним вибухом відбувається процес урбанізації населення. Процес урбанізації населення має об’єктивний характер, оскільки сприяє підвищенню продуктивності діяльності, дозволяє розв’язати багато соціальних, культурно-просвітницьких проблем суспільства. До 2000 року, за даними ООН, частка міського населення у світі складе понад 80%.

Створення мегаполісів, великих міст та промислових центрів знищує в цих регіонах біосферу практично повністю, перетворюючи її в техносферу. Техносферам міст притаманний великий рівень забруднення компонентів середовища існування. У великих містах обсяги твердих відходів неухильно зростають, досягаючи 1 т на рік на одного мешканця. Спалювання міського сміття призводить до додаткового забруднення атмосферного повітря. Концентрації токсичних домішок у великих містах порівняно з повітрям сільської місцевості значно вищі. 70 мільйонів мешканців 103 міст колишнього СРСР дихають повітрям, яке містить токсичних речовин в 5 разів більше, ніж ГДК, а в 66 містах рівень забрудненості в 10 разів вищий (мешкає 40 млн. мешканців).

До негативних наслідків урбанізації відноситься також просідання центральних районів міст, забудованих висотними будинками і одночасне підняття земної поверхні в приміській зоні.

Науково-технічний прогрес, зростання виробництва енергії, промислової продукції та чисельності транспортних засобів, зростання чисельності населення планети та військові потреби зумовлюють зростання промислового виробництва та транспортних засобів. Це, в свою чергу, супроводжується зростанням споживання сировинних ресурсів. Споживання матеріальних та енергетичних ресурсів відбувається більш високими темпами, ніж приріст населення, оскільки середнє споживання на душу населення постійно зростає. Великі видатки у світі на військові цілі. Військова промисловість є одним з активних стимуляторів розвитку техніки і росту енергетичного та промислового виробництва.

Порівняно з 1960 роком в 2000 році споживання електроенергії у світі складе 413%. Аналіз екологічних наслідків розвитку енергетики показує, що в багатьох країнах це зростання досягалось за рахунок переважного використання теплових електростанцій, які спалюють вугілля, мазут або природний газ. Викиди теплових електростанцій згубно впливають на біосферу.

В другій половині XX століття кожні 12–15 років промислове виробництво в провідних країнах світу подвоюється. При цьому подвоюються викиди забруднюючих речовин в атмосферу.

Чисельність світового автомобільного парку постійно зростає. В 1960–1990 рр. вона зросла зі 120 до 420 млн. автомобілів.

Вважається, що за ступенем забруднення природного середовища перше місце посідають металургійна промисловість та автотранспорт, які загалом спричинюють до 70–85% всього обсягу забруднень.

Інтенсифікація сільськогосподарського виробництва. З метою підвищення родючості ґрунтів та боротьби з шкідниками протягом багатьох років в сільськогосподарському виробництві використовуються добрива та різноманітні токсиканти, які негативно впливають на стан екосистем. Щорічно в світі в ґрунти вноситься 500 млн. тонн мінеральних добрив та близько 4 млн. тонн пестицидів. Більша їх частина осідає в ґрунтах та виноситься поверхневими водами в річки, озера, моря та океани. Значна частина їх накопичується в штучних водосховищах, які живлять водою промислові центри. За останні 45 років використання мінеральних добрив зросло в 43 рази, а отрутохімікатів – в 10 разів. За рахунок цього вдалося тимчасово підвищити врожайність зернових та деяких інших культур вдвічі, картоплі та буряків – на 15–20%. Внаслідок забруднення ґрунтів, ґрунтових вод та вирощуваних продуктів в районах підвищеної хімізації сільського господарства захворюваність дітей в 3–3,5 раза вища, ніж в районах з мінімальною хімізацією.

Помилки планування господарської діяльності. Суттєвий негативний вплив на екосистеми справляють теплоелектростанції, не обладнані засобами очищення викидів, неефективне використання електроенергії в промисловості, низький рівень використання вторинних ресурсів, випуск неекологічних автомобілів, невиконання планів введення в експлуатацію екозахисних споруд практично у всіх галузях промисловості.

Аварії, катастрофи, військові навчання. Поява ядерних об’єктів та висока концентрація хімічних та металургійних виробництв спричиняє руйнівний вплив на екосистеми. Прикладом цього є аварії в Чорнобилі, Бхопалі. Людина може викликати екологічні катастрофи регіонального та глобального масштабів. Руйнівний вплив на біосферу справляють випробування ядерної зброї. Розміри полігона для випробування хімічної зброї складають близько 500 тис. га. Прикладом негативного екологічного впливу сучасних локальних воєн є великі виливи нафти в затоки, пожежі на нафтових свердловинах під час війни в Перській затоці, пожежі хімічних заводів під час війни в Югославії в 1999 році.

     3.3 Наслідки забруднення навколишнього середовища

Забруднення токсичними речовинами навколишнього середовища негативно відбивається на здоров’ї населення, погіршує якість сільськогосподарської продукції, знижує врожайність, передчасно руйнує житлові будівлі, металоконструкції, впливає на клімат окремих регіонів, руйнує озоновий шар Землі, зумовлює загибель флори та фауни.

Забруднення атмосфери

Атмосфера завжди містить домішки природного та антропогенного походження. Основними забруднювачами є гази та тверді частинки. При цьому частка газів складає 90%, а тверді частинки – 10% від всієї маси забруднювачів. До природних забруднювачів відносяться пилові бурі, виверження вулканів, космічний пил тощо. Джерела антропогенного забруднення – теплоелектростанції (сірчистий та вуглекислий гази), металургійні підприємства (викидають оксиди азоту, сірководень, сірковуглець, хлор, фтор, аміак, сполуки фосфору, ртуть, миш’як), хімічні, цементні заводи та інші підприємства.

Атмосферні забруднювачі поділяються на первинні, які надходять безпосередньо до атмосфери, і вторинні, які утворюються внаслідок перетворення первинних забруднювачів. Наприклад, сірчистий газ в атмосфері окислюється до сірчаного ангідриду, який взаємодіє з водяною парою і утворює краплинки сірчаної кислоти. Розглянемо вплив деяких забруднювачів на організм людини.

Атмосферний вплив. Особливо небезпечним є токсичний тонкодисперсний пил з розміром частинок 0,5–10 мкм. Ці частинки глибоко проникають в органи дихання. При неповному згоранні палива утворюється сажа – високодисперсний порошок, який на 90–95% складається з частинок вуглецю. Сажа має високу адсорбційну здатність до важких вуглеводнів, що робить сажу дуже небезпечною для людини. Встановлена залежність між зниженням рівня забруднення атмосферного повітря та зниженням захворюваності (табл. 3.1).

Оксид вуглецю СО. Це безколірний газ який не має запаху. Він впливає на нервову та серцево-судинну системи, викликає задуху. Поява головного болю (первинний симптом отруєння) виникає через 2–3 години після перебування в атмосфері, яка містить 200–220 мг/м³ СО. При більших концентраціях СО виникає відчуття пульсації у скронях, запаморочення. Токсичність СО зростає за наявності в повітрі оксидів азоту.

Таблиця 3.1 – Залежність захворюваності від запиленості атмосферного повітря

Оксиди азоту NО_х, (NО, NО₂, N₂О₃, NО₅, N₂О₄). В атмосферу викидається переважно діоксид азоту NО₂ . Це безколірний отруйний газ, який не має запаху. Спричиняє подразнювальну дію на організм. Небезпека дії оксидів азоту підвищується в містах, де вони взаємодіють з вуглеводнями вихлопних газів і утворюють фотохімічний туман – смог. Ознакою отруєння оксидами азоту є легкий кашель. При підвищенні концентрації NО_х виникає сильний кашель, блювання, часом головний біль. Контактуючи з вологою поверхнею слизових оболонок, оксиди азоту утворюють кислоти НNО₃ та НNО₂, які призводять до набряку легенів.

Діоксид сірки SО₂. Це безколірний газ, що має різкий запах і навіть при малих концентраціях (20–30 мг/м³) викликає неприємний присмак в роті, подразнює слизові оболонки очей та дихальні шляхи. Діоксид сірки згубно діє на хвойні та листяні ліси. Коли концентрація SО₂ в повітрі сягає 0,23–0,32 мг/м³, відбувається всихання сосни протягом 2–3 років. Подібні зміни у листяних дерев виникають при концентрації SО₂ 0,5–1,0 мг/м³.

Вуглеводні (пари бензину). Вони мають наркотичну дію. При малих концентраціях викликають біль голови, запаморочення тощо. При вдиханні парів бензину протягом робочої зміни і при концентрації 600 мг/м³ виникають неприємні відчуття в горлі, головний біль, кашель.

Альдегіди. Тривалий вплив альдегідів викликає подразнення слизових оболонок очей та дихальних шляхів. За концентрації формальдегіду 20–70 мг/м³ спостерігається біль голови, слабкість, втрата апетиту, безсоння.

Сполуки свинцю. Через органи дихання до організму надходить близько 50% сполук свинцю. Свинець викликає порушення синтезу гемоглобіну, виникають захворювання дихальних шляхів, статевих органів, нервової системи.

Забруднення гідросфери

Розрізняють хімічне, фізичне та біологічне забруднення водоймищ. Хімічне забруднення зумовлюється збільшенням вмісту у воді неорганічних та органічних шкідливих домішок. Фізичне забруднення пов’язане зі змінами фізичних параметрів водного середовища і зумовлюється тепловими, механічними та радіоактивними домішками. Біологічне забруднення полягає в змінах властивостей водного середовища внаслідок збільшення кількості мікроорганізмів, рослин та тварин.

Основними забруднювачами гідросфери є промисловість та сільське господарство. Внутрішні водойми забруднюються стічними водами металургійної, нафтопереробної, хімічної та інших галузей сільського господарства, житлово-комунального господарства та поверхневими стоками. Найбільш шкідливими органічними забруднювачами гідросфери є нафта та нафтопродукти. Щорічно в світовий океан потрапляє 5–10 млн. тонн нафти та нафтопродуктів. Наявність на поверхні води масла, жирів, мастильних матеріалів перешкоджає газообміну між водою та атмосферою, що знижує насиченість води киснем. Забруднення води нафтою перш за все негативно впливає на стан фітопланктону і зумовлює загибель птахів. Відходи, які містять мінеральні забруднення, локалізуються переважно біля берегів, проте деяка їх частина виноситься за межі територіальних вод. Найбільш небезпечним є забруднення вод ртуттю, тому що зараження морських організмів викликає отруєння людей.

На промислових підприємствах джерелами забруднення стічних вод є виробничі, поверхневі та побутові стоки. Виробничі стічні води утворюються внаслідок використання води в технологічних процесах. Побутові стічні води підприємств утворюються при експлуатації душів, туалетів, пралень та їдалень, звідки вони скеровуються на міські станції очищення.

Поверхневі стічні води утворюються внаслідок змивання дощовою, талою та поливальною водою домішок, які накопичуються на території, на дахах та стінах виробничих будівель. В цих водах містяться тверді частинки (пісок, камінь, стружка, тирса, пил, сажа, залишки рослин), нафтопродукти, використовувані в двигунах транспортних засобів тощо. Небезпечні не лише первинні забруднення поверхневих вод, але й вторинні забруднення, які виникають внаслідок хімічних реакцій речовин у водному середовищі. Наприклад, феноли і хлориди можуть утворювати діоксини. Забруднення поверхневих вод знижує запаси питної води, негативно впливає на розвиток фауни та флори водоймищ. Порушується кругообіг речовин в біосфері, знижується обсяг біомаси на планеті, знижується відтворення кисню.

Забруднення літосфери

Забруднення ґрунтів відбувається під час видобутку корисних копалин та при їх збагаченні, внаслідок захоронення відходів виробництва та побутового сміття, при проведенні військових навчань, випробувань, внаслідок аварій та катастроф. Ґрунти істотно забруднюються також під час опадів в зонах розсіювання викидів в атмосферу.

Із загального об’єму гірської маси, яка видобувається з надр, переробляється лише 1/3 частина, а у виробництві використовується близько 7%. Більша частина гірської маси накопичується у відвалах.

Тверді відходи машинобудівних виробництв містять амортизаційний лом, стружку та тирсу металів, деревини, пластмас, шлаки, золу, шлам, пил. Найбільш небезпечними є підприємства кольорової та чорної металургії. Забруднені зони мають радіус близько 20–50 км, при цьому перевищення ГДК сягає понад 100 разів. Основними забруднювачами є нікель, свинець, бензапірен, ртуть тощо. Викиди сміттєспалювальних заводів викидають тетраетил свинець, ртуть, діоксини, бензапірен тощо. Викиди теплоелектростанцій містять бензапірен, сполуки ванадію, радіонукліди, кислоти та інші токсичні речовини.

В сільському господарстві основним забруднювачем довкілля, окрім добрив, є пестициди. В залежності від об’єкта впливу пестициди поділяються на гербіциди, інсектициди, зооциди, фунгіциди, бактерициди, лімациди, дефоліанти, десіканти, ротарденти, репелянти, атраканти.

Токсичний вплив пестицидів став проявлятись в глобальних масштабах. Нераціональне використання пестицидів негативно впливає на якість ґрунтів. Залишки пестицидів у вигляді домішок проникають у воду, включаються в харчові ланцюги, потрапляють в продукти харчування. В зв’язку з цим актуальною є проблема створення і використання швидкорозчинних препаратів з великою швидкістю деструкції.

     Контрольні запитання

1. Причини виникнення катастроф природного характеру.

2. Причини виникнення аварій і катастроф антропогенного характеру.

3. Класифікація аварій за видом впливу на навколишнє середовище.

4. Співвідношення між природними й антропогенними негативними факторами.

5. Вплив зміни характеристик середовища існування на ступінь активності впливу шкідливих антропогенних негативних факторів.

6. Біологічна реакція організму людини на вплив антропогенних негативних факторів різної інтенсивності.

7. Класифікація антропогенних негативних факторів за природою походження.