Душина Д. Изучение влияния техногенного воздействия на живые организмы. Исследования школьников

Работа участвовала в конкурсе «Энергия будущего», была представлена на региональной научно практической конференции «Инициатива молодых». Награждена дипломами второй степени.

Цель работы — изучение влияния техногенного воздействия на жизнь живых организмов г. Балаково. Город Балаково — второй по индустриалъному потенциалу, после областного, промышленный центр Саратовской области. Сегодня промышленный потенциал Балаково — это более 10 крупных отраслей, в том числе химическая, энергетика, машиностроение. Именно наличие на территории города крупных промышленно-энергетических комплексов— ТЭЦ-4, ОАО «Балаковские волокна», ОАО «Балаковские минудобрения», ОАО «Балаковорезинотехника», ОАО «Завод им. Маминых», ОАО «Саратовгэсстрой» — определяет уровень загрязнения атмосферного воздуха.

ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ПОЛОЖЕНИЕ И ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ БАЛАКОВО

Балаково находится на границе среднего и нижнего Поволжья на берегу великой реки Волги. Железнодорожным и автомобильным транспортом он связан со всеми территориями страны.
Город расположен на слабовозвышенной равнине. Типичными для рельефа являются «сырты», или увалы, с характерной асимметрией склонов. Наибольшая высота местности— 115 м. Поверхность ее сложена желто-бурыми глинами и суглинками, 25% всей территории занимают черноземы. Средняя мощность гумусовых горизонтов обычных черноземов достигает 60 см, а южных черноземов — до 50 см. Балаково находится в зоне степей, на территории северного варианта разнотравно-типчаковых ковыльных степей. Для этого варианта характерны крупно-дерновинные злаки: тырса, ковыли перистый и узколистный, типчак, тонконог, овес степной. Разнотравье довольно обильное, встречаются виды, характерные и для луговых степей. В пойме рек Большого Иргиза и Волги имеются березовые и сосновые леса, а на улицах города — культурные насаждения деревьев и кустарников, типичных для всей Саратовской области.

Климат г. Балаково умеренно-континентальный, засушливый, но смягчен близостью Волги. Характерная особенность климата — преобладание в течение года ясных малооблачных дней. Зима умеренно холодная и малоснежная, весна непродолжительная, засушливая, а лето жаркое и сухое. В последние годы наблюдается тенденция к потеплению климата в зимний период и в марте.
Осадки выпадают неравномерно. Весной и зимой небольшое количество осадков, но облачность больше, чем в другое время года. Летом и осенью осадки часто носят ливневый характер, что является причиной смывания верхнего плодородного слоя и размывания оврагов.

В г. Балаково преобладают воздушные массы умеренных широт, движущиеся с Атлантики на восток, в этом же направлении движутся циклоны, которые приносят летом дожди, а зимой снегопады. Свободно проникают северные и южные ветры, а также с Казахстана и Средней Азии — суховеи. По направлению преобладают юго-западные и западные ветры. В целом климат г. Балаково несколько мягче, чем на окружающей его территории: теплее на 2°С, выпадает больше осадков, меньше скорость ветра.

ОСНОВНЫЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА ВОЗДУХА

Вредные вещества, выбрасываемые промышленными предприятиями города, — в основном вещества 2—4 класса опасности:

1 класс опасности (чрезвычайно опасные) — 0,778%;
2 класс (высокоопасные) — 44,1%;
3 класс (умеренноопасные) — 44,3%;
4 класс (малоопасные) — 9,1%.

Таким образом, доля высоко- и умеренноопасных веществ в выбросах в атмосферу г. Балаково составляет 88,4% и почти 1% — чрезвычайно опасных веществ.
Основную массу выбросов в атмосферу вносят 4 предприятия: ТЭЦ-4— 22,7%; ОАО «Химволокно», ООО «Минудобрения», ОАО БРТ —73,3%.
Основные вредные вещества, выбрасываемые в атмосферу:

сернистый ангидрид (3 класс опасности) — выброс ТЭЦ-4 и ОАО «Химволокно»;
сероводород (2 класс опасности) — выброс ОАО «Химволокно»;
сероуглерод (2 класс опасности)— выброс ОАО «Химволокно»;
аммиак (4 класс опасности)— выброс ООО «Минудобрения»;
оксид азота (2 класс опасности)— выброс ТЭЦ-4;
окись углерода (4 класс опасности) — выброс осуществляют почти все предприятия города в равной степени.

Загрязнение воздуха в городе неравномерно. Оно зависит от расположения промышленных объектов, жилых массивов, транспортных магистралей и меняется в зависимости от направления ветра и погодных условий. В юго-западном направлении расположен основной источник загрязнения воздуха — ОАО «Балаковские волокна». Температурные инверсии и штили способствуют накоплению загрязняющих веществ в атмосфере. Годовая повторяемость инверсий зимой — 80—90%, летом — 50—70%, штили —10%, туманы —25—30 дн./г., опасные скорости ветра — 25%. Размещение в непосредственной близости друг от друга АЭС, ТЭЦ и других промышленных объектов часто становится причиной повышенной кислотности атмосферных осадков. Известно, что АЭС большой мощности является причиной повышения влажности воздуха на значительных расстояниях от места ее расположения. В то же время ТЭЦ и другие предприятия — источники выбросов оксидов серы, азота. Попадание этих веществ в атмосферу с повышенной влажностью способствует увеличению концентрации сернистой, азотной кислот. Таким образом, г. Балаково имеет повышенный потенциал загрязнения воздуха с плохими условиями рассеивания в атмосфере.

Величина загрязнения меняется в течение суток. Утренний максимум связан с началом работы предприятий и пиком движения транспорта, вечерний максимум — только с пиком движения транспорта.

Наблюдения за загрязнением воздуха проводятся на трех стационарных постах государственной службы наблюдения. ПДК, мг/м3: диоксид серы — 0,05; сероводород— 0,008; сероуглерод— 0,005; аммиак— 0,04; диоксид азота— 0,04; окись углерода— 3,0; концентрация пыли — 0,25.

Загрязнение воздуха диоксидом азота в целом по городу отмечалось на уровне 0,1 ПДК; максимальная из разовых концентраций — 3,2 ПДК зафиксирована в январе. Достаточно высок уровень загрязнения диоксидом азота в районе, расположенном в зоне влияния ТЭЦ-4 и автомагистрали с интенсивным движением. Здесь максимальная из разовых концентраций в весенне-летний период достигала 1,3 ПДК. Концентрация оксида азота намного меньше ПДК. В течение года не было зарегистрировано ни одного случая превышения ПДК по другим веществам. Уровень загрязнения атмосферного воздуха диоксидом серы очень низкий; максимальная из разовых концентраций — 0,01 ПДК зафиксирована в августе. Среднегодовая концентрация пыли в 2003 г. составляла 0,7 ПДК; оксида углерода — 0,3 ПДК, максимальная из разовых концентраций — 0,6 ПДК — отмечалась в весенне-летний период.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ДЕЙСТВИЯ НАИБОЛЕЕ ОПАСНЫХ ОКСИДОВ

Оксиды азота, серы обладают выраженным общетоксичным и раздражающим действиями. При контакте диоксида азота, оксида серы с влажной поверхностью легких происходит образование сернистой, азотной и азотистой кислот, которые поражают альвеолярную ткань, что может привести к отеку легких. В организме также может происходить образование солей этих кислот: нитратов и нитритов, которые вызывают значительные изменения в составе крови и негативно влияют на состояние сердечно-сосудистой системы. Кроме того, эти вещества способны стать причиной повышения частоты инфекционных заболеваний, болезней кожи и подкожной клетчатки, дыхательных путей, снижения иммунитета.

Ядовитость СО обусловлена тем, что этот оксид соединяется с гемоглобином крови, в результате чего кровь не способна переносить достаточное количество кислорода из легких к тканям. Сродство гемоглобина к оксиду углерода(П) гораздо больше, чем к кислороду, поэтому достаточно незначительного количества СО, чтобы значительно понизить способность крови воспринимать кислород и тем самым вызывать удушье.
В ходе определения максимальных разовых концентраций загрязняющих веществ в районе расположения гимназии (ПНЗ-4) были получены результаты, которые приведены в табл.1. Из обнаруженных веществ кислотообразующими являются оксид серы S02 и оксиды азота Nox.

Таблица 1

Максимальные разовые концентрации загрязняющих веществ в атмосфере ПНЗ-4, сентябрь 2004 г.

Наименование примеси % от ПДК мр

Пыль                 1,4
Диоксид серы    0,012
Оксид углерода 0,52
Диоксид азота   2,9
Оксид азота      0,19
Аммиак             1,0

МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ КИСЛОТНЫХ ОСАДКОВ

Диоксид серы, попавший в атмосферу, претерпевает ряд химических превращений, ведущих к образованию кислот. Частично диоксид серы в результате фотохимического окисления превращается в серный ангидрид S03:  2S02 + 02 = 2S03, который реагируете водяным паром атмосферы, образуя аэрозоли серной кислоты: S03 + Н20 = Н2 S04.
Основная часть выбрасываемого диоксида серы во влажном воздухе образует кислотный полигидрат S02 • ПН20, который часто называют сернистой кислотой и изображают условной формулой H2S03: SO2 + H2O = H2SO3.

Сернистая кислота во влажном воздухе постепенно окисляется до серной: 2H2S03 + 02=2H2S04. Аэрозоли серной и сернистой кислот приводят к конденсации водяного пара атмосферы и становятся причиной кислотных осадков (дожди, туманы, снег). Аэрозоли серной и сернистой кислот составляют 2/3 кислотных осадков, остальная доля приходится на аэрозоли азотной и азотистой кислот, образующихся при взаимодействии диоксида азота с водяным паром атмосферы: 2N02 + Н 20 = HN03 + HN02.

Кислотные дожди оказывают многоплановое влияние на окружающую среду. В первую очередь их отрицательному воздействию подвергаются водоемы, почва и растительность. Об этом свидетельствуют результаты моих наблюдений.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДОЕМОВ

В ходе эволюции живые организмы приспособились к физической и химической среде и могут существовать только в определенном интервале рН. Изменение рН влечет за собой химические и биологические перестройки водных экосистем.

Промышленные объекты, расположенные рядом, оказывают влияние на водную среду. Свои исследования я проводила в трех водоемах: в искусственно созданном водоеме-охладителе Балаковской АЭС, техническом водоеме БХЗ, который находится вблизи крупного химического предприятия и используется для промышленных нужд, в озере Маховое — водоеме природного происхождения.

В ходе наблюдений зафиксировано, что вода в озере и водоеме-охладителе без запаха, пленка на поверхности отсутствует, рН х 6,5—7,0. Концентрация растворенного кислорода в воде озера выше, чем в водоеме АЭС. Температура воды выше в водоеме АЭС, что можно объяснить ее использованием для охлаждения турбин. Вода водоема химического предприятия имеет неприятный запах, прозрачная, пленка на поверхности отсутствует, содержание растворенного кислорода минимальное.

Мною были проведены измерения рН воды водоемов за 5 дней до дождя и через 5 дней после (см. табл. 2). Полученные данные свидетельствуют о том, что после дождя рН в водоемах изменилась незначительно. Следовательно, буферные возможности воды озера и водоема-охладителя не нарушены. Эти водоемы способны нейтрализовать определенную часть кислоты и сохранять рН своей среды, тогда как данные по водоему БХЗ доказывают, что буферные свойства в природе не беспредельны.

Таблица 2 Показатели рН обследуемых водоемов

До дождя                             После дождя

Оз. Маховое 6,8                   Оз. Маховое 6,6
Водоем-охладитель АЭС 6,5 Водоем-охладитель АЭС 6,4
Водоем БХЗ 4,8                   Водоем БХЗ 4,5

Изучение животного мира водоемов показало, что обитатели озера и водоема АЭС более разнообразны, чем в водоеме БХЗ (см. табл. 3). У озера и водоема АЭС много стрекоз, кузнечиков, бабочек и других насекомых, по водной глади передвигаются водомерки. Над поверхностью водоема БХЗ много мелкой мошкары, мух.

Таблица 3  Состояние фауны обследуемых водоемов (площадь 4 м2)

                       Озеро Водоем АЭС Водоем БХЗ
Моллюски           10           12                —
Улитки                14           11                —
Раки                     7             6                —
Стрекозы              8             9                 1

Эти данные свидетельствуют о том, что озеро и водоем-охладитель — относительно чистые. В водоеме БХЗ рН среды колеблется в пределах 4,5—6,0, т.е. среда слабокислая, что может отрицательно влиять на живые организмы.

Дополнительно мною проведено исследование донного ила, взятого в этих водоемах. В три колбы я поместила ил разных водоемов и добавила 1%-ный раствор туалетного мыла. Содержимое размешала до образования пены. Сосуды неплотно прикрыла ватой и оставила на 5—6 ч. По истечении этого времени содержимое опять взболтала. В колбах с илом водоема-охладителя и озера жидкость не образовала пены, раствор приобрел неприятный запах, выпал грязноватый серо-бурый осадок. В колбе с илом технического водоема БХЗ не произошло никаких изменений.

Мною сделаны следующие предположительные выводы. В двух первых колбах микроорганизмы донного ила могли утилизировать органическую составляющую мыла (продукты их жизнедеятельности выпали в осадок и частично выделились в виде газов с неприятным запахом). В третьей колбе раствор продолжал пениться, значит, в нем могли содержаться вещества, ставшие причиной отсутствия в этом водоеме невидимых санитаров природы.

В нашем городе много природных водоемов, на берегах которых балаковцы не только отдыхают. Иногда водоемы превращаются в места для мойки автомобилей, стирки ковровых изделий. При этом используются различные моющие средства. Синтетические моющие средства могут накапливаться в иле, они токсичны для биопланктона, угнетающе действуют на микроорганизмы, наносят вред рыбам. С автомобиля в реку стекают потоки грязи, содержащие бензин, мазут, смазочные масла. Эти вещества образуют тончайшие пленки на водной поверхности, которые нарушают газообмен между водоемом и атмосферой, ухудшают процесс фотосинтеза, изменяют световой и температурный режим у поверхности воды.

Конечно, водоемы способны к самоочищению, но эти возможности не безграничны. И в этом случае не промышленное предприятие виновно в загрязнении окружающей среды, а сам человек. Экологический отдел города проводит разъяснительную работу среди населения.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЧВ

От кислотных дождей страдает и земля. Снижается продуктивность почв, сокращается поступление питательных веществ. Меняется состав почвенных микроорганизмов. Я провела исследование, цель которого — выявить чувствительность почв к кислотным дождям. Для исследования взяла карбонатно-черноземные и глинисто-каштановые почвы. Установила, что менее чувствительны к кислотам почвы с карбонатными включениями. К слабочувст-вительным и чувствительным относятся почвы без карбонатных включений — глинистые и суглинистые. Почвы, содержащие карбонатные и гидрокарбонатные анионы, способны, до определенного предела, нейтрализовать поступающую кислоту.

ВЛИЯНИЕ КИСЛОТНЫХ ОСАДКОВ НА РАСТИТЕЛЬНОСТЬ

Кислотные дожди наносят вред лесам. В настоящее время в нашем городе мы наблюдаем, что на лесном участке за шлюзами у деревьев развивается суховершин-ность, гибнет часть кроны, повреждается кора. Загрязнители воздуха оказывают непосредственное влияние на листву деревьев. Исследования показали, что листья берез в районе 4Б микрорайона, где концентрация оксидов азота и серы в атмосфере повышена, имели на поверхности больше некротических пятен, чем в районе АЭС. При рассмотрении такой кожицы листа под микроскопом видны разрушенные клеточные структуры. Поврежденными оказались и оболочки устьичных клеток. У сохранившихся устьиц трудно было определить величину устьичной щели.

ИССЛЕДОВАНИЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА В РАЙОНЕ АВТОМАГИСТРАЛИ

Поданным БМО, суммарные выбросы от легкового и грузового транспорта в 2004 г. составили в нашем городе более 15 тыс. т и превысили выбросы стационарных источников. В сентябре я провела исследования на участках окружной трассы в районе 4-го и 7-го микрорайонов. Параметры трассы: ширина проезжей части — 7 м; число сторон и полос движения — 2; интенсивность движения за час: рабочий день — 200 машин, выходной — 120; средняя скорость движения — 30 км/ч; наличие светофоров — 4; длительность работы светофоров — круглосуточно; заторы — нет.

На этих участках я изучила пылевые загрязнения, осажденные на липкой ленте. Под лупой обнаружила пылинки разных размеров и частички сажи. Интенсивность покрытия липкой ленты твердыми частичками была значительно больше на обочине дороги, чем на расстоянии 100 м от нее. Также было обнаружено большое количество сажи на лентах, расположенных вблизи светофоров, что свидетельствует о большей задымленности этих участков дороги в связи с накоплением транспорта.

В табл. 4 приведены данные о составе выхлопных газов карбюраторного и дизельного двигателя, на основании которых можно сделать вывод, что дизельные двигатели, с экологической точки зрения более целесообразны. Состав выхлопных газов зависит от технического состояния, и режима работы двигателя. Особенно резко увеличивается концентрация вредных веществ в выбросах автомобилей при работе на холостом ходу, например, при остановке машин на перекрестках со светофором или во время парковки автобусов на остановках. Именно об этом свидетельствует наблюдаемая задымленность у светофоров.

Таблица 4 Основные компоненты выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания (в объемных %)

Вещество                    Двигатель карбюраторный     Двигатель дизельный

Азот                                     74—77                                   76—78
Кислород                           0,3—0,8                                     2—18
Водяной пар                      3,0—5,5                                     0,5—4,0
Диоксид углерода              5,0—12,0                                   1,0—10,0
Оксид углерода                 0,5-12                                        0,01—0,5
Оксиды азота                    0,0-0,8                                       0,0-0,5
Углеводороды                   0,2—3,0                                     0,01—0,5
Альдегиды                        0,0—0,2                                     0,0—0,01
Сажа г/м3                         0,0—0,4                                     0,01 — 1,1

В ходе исследования были проведены измерения рН снега в различных районах г. Балаково. Результаты приведены на диаграмме (рис. 2). Пробы взяты из верхнего и нижнего слоя снега в 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8-м микрорайонах во время снегопада в январе 2005 г. Пробы нижнего слоя снега в районе 4-го микрорайона показали слабощелочную среду (рН=7,5). Растворимость газов во влажной среде с уменьшением температуры увеличивается, вероятно, аммиак, выброс ОАО «Минудобрения», был поглощен снегом, который выпал раньше дня исследования. На обочине дороги в районе 4-го микрорайона рН снега составил 5,8; на основных автотрассах рН колебалось от 5 до 5,8, что доказывает интенсивное загрязнение атмосферы автотранспортом.

ИЗМЕРЕНИЕ РАДИАЦИОННОГО ФОНА ГОРОДА

Вблизи нашего города располагается АЭС. В связи с этим возникают предположения о возможном повышении уровня радиации. С помощью радиометра была изучена радиационная обстановка в городе и районе. Конечно, эти результаты не дают полной картины — они представляют собой как бы фотоснимок. Анализируя зафиксированные данные, можно сказать, что в городе есть районы, где фон радиации держится около 20 мкР/ч, т.е. на пределе международной безопасной нормы для человека. Так, в районе ТЭЦ-4 он значительно превышает радиационный фон даже на АЭС. В целом средний уровень в городе составляет 11 мкР/ч.

В дополнение к предыдущему исследованию были взяты пробы снега для определения содержания в них радионуклидов (исследование проводилось в лаборатории внутреннего радиационного контроля). Пробы отбирались возле ТЭЦ-4, АЭС, в микрорайонах города и БХЗ. Результаты приведены в табл. 5. По полученным данным можно констатировать, что радиационное воздействие, обусловленное ионизирующим излучением радиоактивных отходов нормально работающей атомной станции, не превышает безопасной нормы.

Таблица 5 Значение суммарной -активности проб снега

Точка отбора Суммарная -активность, Бк/м2

ТЭЦ-4                       12,07
БАЭС                        11
7-й микрорайон          9,82
4-й микрорайон        10
ОАО «Балаковские микроудобрения» 8,5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные мною несложные исследования доказывают отрицательную роль техногенного воздействия на окружающую природу. Для нормализации ситуации можно предложить следующие меры.

• С целью уменьшения токсичных выбросов транспорта целесообразно организовать безостановочное движение на автомагистралях. Для этого следует
строить подземные переходы, увеличивать время работы зеленого сигнала светофора на более загруженных дорогах.
• Создать условия для использования в автомобильном транспорте газового топлива, которое снижает выбросы СО в 10 раз; оснастить автомобильный транспорт устройством каталитической очистки выхлопных газов.
• Восстановление нормальной кислотности водоемов возможно за счет известкования, при этом не только уменьшается кислотность воды, но и повышается ее буферная способность. Известкование можно применить и для защиты лесов от кислотных дождей, используя распыление с самолетов свежемолотого доломита, который реагирует с кислотами с образованием безвредных веществ.
• Предприятия должны быть оснащены регенеративными технологиями, которые приведут к снижению выбросов. Например: реакция взаимодействия диоксида серы и сероводорода приводит к получению серы, которую можно опять использовать в технологическом процессе.
• Энергосбережение, внедрение новых неэнергоемких и безотходных технологий производственных процессов, применение альтернативных источников энергии — меры, способные уменьшить загрязнение атмосферного воздуха, оздоровить окружающую среду.

Д.Душина, гимназия №2 г. Балаково Саратовской области

Научные руководители Л. Е.Ерюшкина, О.Н.Ястребова, учителя высшей квалификационной категории