5. Антропогенный стресс и токсичные отходы как лимитирующий фактор индустриальной цивилизации
Природные экосистемы обладают значительной резистентностью, упругостью или обоими этими свойствами, которые помогают переносить периодические тяжелые или острые нарушающие воздействия.
Для целей изучения полезно будет разделить антропогенный стресс экосистем на две группы, хотя эта классификация, как и всякая другая, будет несколько условной: I) острый стресс,
для которого характерно внезапное начало, быстрый подъем интенсивности и небольшая продолжительность нарушений; 2) хронический стресс, при котором нарушения невысокой интенсивности долго продолжаются или часто повторяются — это (по определению одного словаря) «постоянно беспокоящие» воздействия. Природные экосистемы обладают значительной способностью справляться с острым стрессом или восстанавливаться после него (см.
гл. 2, разд. 6). Пример механизма, обеспечивающего быстрое восстановление, — стратегия покоящихся семян (гл. 4, разд. 3), которая облегчает восстановление леса после его вырубки. Последствия хронического стресса труднее оценить, так как реакции на него не столь наглядны. Могут пройти годы, прежде чем полностью выявятся последствия стресса. Например, потребовались годы, чтобы выявить связь между заболеваемостью раком и курением или хроническим слабым ионизирующим облучением. Еще не ясно, ведет ли экологический стресс к экологическому «раку» (беспорядочному росту на уровне популяций или сообщества). Ho можно утверждать, что значительная часть раковых заболеваний у человека связана с веществами, загрязняющими пищу, воду и окружающую среду (Epstein, 1974; Reif, 1981).
Особенно опасны промышленные отходы, содержащие потенциальные стрессоры, которые представляют собой новые химические вещества и к которым живые организмы и экосистемы еще не смогли приспособиться, так как не встречались с ними ранее на протяжении своей эволюционной истории. Хроническое воздействие таких антропогенных факторов, вероятно, может вызвать существенные изменения в структуре и функции биотических сообществ в ходе акклиматизации и генетической адаптации к этим факторам. Судя по некоторым данным, в переходный (адаптационный) период организмы особенно чувствительны к другим, вторичным факторам — например, к болезням, которые могут иметь катастрофические последствия.
Возрастающий объем ядовитых отходов, наносящих вред здоровью человека при прямом контакте или загрязнении пищи и питьевой воды, приближается к критическим размерам. В 1978 г., по оценке Совета по качеству окружающей среды, производилось не менее 50 млн. т ядовитых отходов. В статье под названием «Отравление Америки» журнал «Тайм» (22 сентября 1980 г.) писал: «Из всех вмешательств человека в естественный порядок вещей ни одно не нарастает такими тревожащими темпами, как создание новых химических соединений. Только в США хитроумные «алхимики» современности ежегодно создают около 1000 новых препаратов.
Возможно, наибольшую опасность, которая приведет к катастрофе, представляет загрязнение грунтовых вод и глубоких водоносных горизонтов, поставляющих значительную долю воды для городов, промышленности и сельского хозяйства. В отличие от поверхностных вод загрязненную грунтовую воду почти невозможно
очистить, так как она не подвергается воздействию солнечного» света, быстрого течения и других естественных очищающих факторов, освобождающих от загрязнений поверхностную воду. Уже* сейчас города, расположенные в крупных промышленных районах, не могут использовать для водоснабжения местные грунтовые воды из-за их загрязненности; воду приходится с большими расходами доставлять по трубам издалека.
Как было и с радиоактивными отходами, до 1980 г. обработка ядовитых отходов считалась «второстепенным вопросом», недостойным серьезного внимания. Ненужные вещества просто сбрасывались куда-нибудь, пока общественности не стало известно о несчастьях, случившихся в нескольких районах. Так, в печати получили освещение случай нью-йоркского района Лав-Кэнел, где пришлось выселить жильцов из кварталов, построенных на месте бывшей свалки, а также случай отравления кепоном большой части реки Джемс в Вирджинии (были отравлены и рабочие завода, где выпускался этот инсектицид). Эти и другие несчастные случаи вызвали озабоченность граждан и заставили правительство действовать. Теперь, хотя и с некоторым опозданием, промышленность и правительство стараются действовать совместно в организации специальных центров по удалению и обезвреживанию отходов. Такие центры должны обрабатывать отходы всех предприятий обслуживаемого центром штата или региона. Прежде всего необходимо безопасно изолировать самые ядовитые вещества, чтобы было время для разработки методов их обезвреживания (в тех случаях, когда это возможно), сжигания, иммобилизации в составе стекловидных или керамических материалов и т.
Опасение вызывают не только те вредные отходы, которые попадают в воду, почву и пищу. Миллионы тонн опасных соединений ежегодно выносятся в атмосферу. Мы уже говорили о двух антропогенных стрессовых факторах, вызывающих особую озабоченность — о накоплении в атмосфере двуокиси углерода и о кислых
БЕЗОПАСНАЯ ХИМИЧЕСКАЯ СВАЛКА-
^позволяет брать пробы грунтовой воды для Проверки на загрязнение)
Рис. 5.26. Варианты избавления от ядовитых отходов. Эту проблему нельзя больше считать не имеющей отношения к экономике. А. Очень плохой вариант — опасная свалка. В. —Улучшенный вариант — надежная изоляция и обработка.
дождях (гл. 4, разд. 2), поэтому здесь мы рассмотрим размах загрязнения воздуха только в общих чертах.
В табл. 5.3 приводятся оценки количеств пяти основных загрязняющих воздух веществ, выброшенных в атмосферу над континентальной частью США в отдельные годы. Около 60% загрязняющих веществ приносится из других районов, промышленность дает 20%, электростанции—12%, отопление — 8%.
Загрязнение воздуха — сигнал отрицательной обратной связи, который вполне может спасти индустриализованное общество от гибели, так как I) этот четкий сигнал опасности легко восприни-
Таблица 5.3. Сравнительные размеры загрязнения воздуха в США (в миллионах тонн в год) и изменения за 1966—1978 годы. (Данные за 1970—* 1978 годы — по Годовому отчету о качестве окружающей среды, Совет но качеству окружающей среды, 1980; данные по 1966 г. — по Докладу об обработке отходов и контролю над ними, Национальная академия наук США. 1966.)
Общее количество взвешенных частиц.
мается всеми и 2) все мы вносим свой вклад в загрязнение воздуха (пользуясь автомашиной, электричеством, покупая изделия промышленности и т. д.), но все мы страдаем от него, так что ответственность нельзя свалить на подходящих «козлов отпущения». Решение проблемы должно основываться на холистической концепции, поскольку попытки заниматься каждым загрязняющим веществом как самостоятельной проблемой (подход «одна проблема— одно решение») не только неэффективны, но и, как правило, лишь переносят проблему с одного места (или местообитания) в другое.
Загрязнение воздуха, кроме того, отличный пример синергизма. Загрязняющие вещества реагируют в атмосфере между собой, создавая дополнительное загрязнение, что значительно усложняет общую проблему (иными словами, общий эффект больше суммы отдельных эффектов). Например, в присутствии солнечного света два компонента выхлопных газов реагируют между собой, давая новые и даже более ядовитые вещества, известные как фотохимический смог:
Окислы азота + Углеводороды ^
солнечного света Пероксиацетилнитрат (PAN)-(-Озон (O3).
Оба получившихся вещества не только вызывают слезоотделение и затруднение дыхания у человека, но и крайне ядовиты для растений. Озон усиливает дыхание листьев, в процессе которого расходуются запасные питательные вещества растения и оно гибнет. Пероксиацетилнитрат блокирует так называемую реакцию Хилла в фотосинтезе, и растение гибнет в результате того, что снижается образование питательных веществ в нем (Taylor et al., 1961; Dugger et al., 1966). Прежде всего гибнут более чувствительные сорта культурных растений, поэтому вблизи больших городов уже невозможны некоторые отрасли полеводства и садоводства. Другие фотохимические загрязнители, относящиеся к обширной группе многоядерных ароматических углеводородов (МАУ), известны как канцерогены. Э. Хааген-Смит был одним из получивших первую экологическую премию имени Тайлера за свои новаторские работы, касающиеся лос-анджелесского смога, проведенные в начале 50-х годов (Haagen-Smit et al., 1952; Haagen-Smit, 1963). Обзор влияния загрязнения воздуха на леса можно найти в работе У. Смита (W. Smith, 1981).
Если в этом десятилетии не будут продолжены напряженные усилия по сдерживанию процесса ухудшения качества окружающей среды, то вполне может случиться, что не нехватка ресурсов как таковых, а ядовитые вещества станут лимитирующим фактором для индустриальной цивилизации.
Тепловое загрязнение становится сейчас самым распространенным случаем хронического стресса, поскольку, как диктует второй закон термодинамики, бесполезное тепло неизбежно должно возникать в качестве побочного продукта при любом превращении одной формы энергии в другую. Электростанции и другие крупные установки по превращению энергии высвобождают в воздух и воду огромные количества тепла, причем особенно большие объемы охлаждающей воды требуются атомным электростанциям. Так, при производстве I кВт-ч электроэнергии на тепловой электростанции тепловые отходы в атмосферу и воду, используемую для охлаждения, составляют соответственно 400 и 135 ккал, а на современной атомной электростанции — 130 и 1900 ккал. По коэффициентам пересчета, приведенным в табл. 3.1, можно рассчитать, что АЭС средних размеров, дающая 3000 мегаватт электроэнергии, производит в час более 5 • IO9 ккал бросового тепла.
Охлаждающая способность поверхности воды варьирует в зависимости от ветра и температуры воды от 7 до 36 ккал в I ч на I м2 на каждый градус (I0C) разницы между температурой воды и воздуха. Следовательно, для рассеяния тепла требуется большая водная поверхность, примерно порядка 0,6 га на I МВт в местностях с умеренным климатом или 1800 га на электростанцию мощностью 3000 МВт.
Разумеется, применение устройств принудительного охлаждения, например градирен, позволяет сократить необходимое пространство и объем воды, но дорогой ценой, так как вместо солнечной энергии, испаряющей воду, здесь применяется энергия дорогих горючих ископаемых. Кроме того, градирни тоже могут наносить вред окружающей среде, если для подавления роста водорослей на их поверхностях используют хлор или другие химикаты.
Последствия повышения температуры воды в прудах, озерах или реках в общем подчиняются закономерностям взаимоотношений субсидии и стресса, показанным на рис. 3.5. Возможны как положительные, так и отрицательные последствия. Умеренное повышение температуры воды часто служит субсидией и может повысить продуктивность водного сообщества и скорость роста рыбы, но со временем или при увеличении тепловой нагрузки проявляются стрессовые эффекты. Наблюдаются следующие местные вредные эффекты теплового загрязнения водных экосистем: I) повышение температуры воды часто усиливает восприимчивость организмов к токсичным веществам (которые всегда присутствуют в сточных водах) и к грибковым и другим заболеваниям; 2) температура может превысить критические величины для стенотермных стадий жизненного цикла организмов (см. с. 260); 3) повышенные температуры способствуют замене популяций обычной флоры водорослей менее желательными сине-зелеными, особенно если экосистема еще и обогащается биогенными элементами; 4) при повышении температуры воды животным нужно больше кислорода, а его способность растворяться в теплой воде понижена (см. с. 294). Подробные сведения об этих эффектах можно найти у Кренкеля и Паркера (Krenkel, Parker, 1969).
Национальный парк экологических исследований при АЭС «Саванна-Ривер», подчиненной Министерству энергетики США,— отличное место для наблюдения долгосрочных последствий теплового загрязнения. Расположенная здесь экологическая лаборатория занимается изучением тепловых воздействий на экосистемы, с тех пор как в 50-х годах в этом районе была построена атомная электростанция. Лаборатория организовала два крупных симпозиума, в которых участвовали также и сотрудники других исследовательских учреждений (Gibbons, Sharitz, 1974; Esch, McFarlane7 1975). Особенно интересно созданное здесь крупное искусственное озеро, используемое как охлаждающий пруд. Он имеет «теплую» часть, куда поступает нагретая вода, и «холодную» часть, не полу- чающую нагретой воды и сохраняющую естественную температуру, характерную для этой местности. Кроме того, поскольку реакторы периодически останавливаются и запускаются, можно наблюдать влияние изменений температуры воды. При повышенной температуре воды водяные черепахи и окуни растут быстрее и достигают более крупных размеров, а сезон активности аллигаторов захватывает и зимние месяцы. Таким образом, первые отмеченные эффекты носили в основном положительный характер, но через несколько лет начали проявляться четкие стрессовые эффекты. Например, появились тяжелые заболевания, уменьшающие продолжительность жизни и увеличивающие смертность. Как показано на рис. 5.27, доля окуней, зараженных болезнью слизистой оболочки ротовой полости, колеблется по сезонам, но она всегда выше в нагретых зонах озера. После 10 или более лет сохранения повышенной температуры воды в популяции рыбы и рогоза (Турка), растущего вдоль берега «теплой» части озера, были отмечены признаки генетических изменений. Краткий обзор всех проведенных здесь исследований дают Гиббонс и Шаритц (Gibbons, Sharitz, 1981).
Все эти примеры подчеркивают, что при оценке последствий хронических антропогенных возмущений важно обращать внимание на вторичные или отсроченные реакции.
Пестициды. Все усиливающееся применение инсектицидов и других пестицидов в сельском хозяйстве привело к загрязнению почвы и воды еще одним классом ядовитых веществ. Ho эта угроза здоровью экосистем и человека, возможно, скоро уменьшится по той простой причине, что опора только па химические яды не позволяет достичь устойчивого сокращения численности вредителей, а лишь вызывает поочередно спады и подъемы в производстве зерна. Разрабатываются другие способы борьбы с вредителями, которые, возможно, вскоре позволят сократить массовое применение очень опасных ядов.
Парадоксально, но именно упругость и приспособляемость природы — основная причина безуспешности применения таких инсектицидов широкого спектра действия, как хлорорганические
Рис. 5.27. Процент зараженности окуня болезнью слизистой оболочки рта меняется по сезонам (он выше летом), но он всегда выше в «термальных водах», (I), где из-за хронического теплового загрязнения от ядерных реакторов АЭС «Саванна-Ривер» повышена температура. 11 — обычные воды (Esch, Hasen, 1978.)
(поколение ДДТ) и фосфорорганические инсектициды. Слишком часто случается, что после рассеяния или обезвреживания пестицида вредные виды приобретают устойчивость к нему или становятся даже более обильными, так как обработка ядом погубила их естественных врагов. А вид-вредитель, который был успешно уничтожен, иногда заменяется другим, более устойчивым, хуже изученным и потому хуже поддающимся сдерживанию.
Хороший пример «синдрома спадов и подъемов» дает история борьбы с насекомыми — вредителями хлопчатника в США. Хлопчатник был одной из самых интенсивно обрабатываемых инсектицидами сельскохозяйственных культур (на хлопчатник тратилось 50% всех инсектицидов, используемых в сельском хозяйстве США). В 50-х годах массивное опрыскивание с воздуха хлопчатника в долине Каньете (Перу) хлорированными углеводородами на средства, предоставленные США, позволило примерно на шесть лет удвоить урожай. Однако затем вредители приобрели устойчивость, а кроме того, появились новые вредители, в результате чего урожай полностью погиб. Об этом хорошо документированном случае я уже писал (Odum, 1975). То же произошло в 60-х годах в Техасе, где выращивание хлопчатника — важная отрасль сельского хозяйства. Этот случай подробно описан в недавней работе Эдкис- сона и др. (Adkisson et а. 1982). В обоих случаях удалось восстановить урожаи применением так называемого интегрированного метода борьбы с вредителями. При этом используются ранние сорта (созревающие до того, как могут вырасти популяции вредителей) и методы возделывания (вспашка, орошение, удобрение), рассчитанные на то, чтобы помешать вредителям и помочь их естественным врагам. При этом осторожно применяются и некоторые инсектициды, в том числе «старомодные», например серный порошок. Важно тщательно рассчитать график применения инсектицидов, чтобы захватить насекомых на ранних стадиях жизненного цикла, когда они наиболее уязвимы. Новая система борьбы подтверждает старую житейскую мудрость: нельзя все ставить на одну лошадь. IIa разнообразие и упругость природы надо реагировать различными технологическими новшествами, которые по мере изменения условий и реагирования природы должны сменяться другими изобретениями. Иными словами, мы по-видимому, никогда не сможем по-настоящему «победить» в «войне» с насекомыми и другими нашими конкурентами, но непрестанно должны прилагать к этому усилия. Это одно из следствий постоянного «откачивания неупорядоченности», необходимого для поддержания большой и сложной цивилизации.
Специалисты с оптимизмом ожидают, что вскоре к арсеналу средств интегрированной борьбы с насекомыми-вредителями добавятся так называемые пестициды третьего поколения (С. Williams, 1967). Первым поколением, по классификации Уильям са7 были растительные средства и неорганические соли; вторым — члены семейства ДДТ. К третьему поколению относятся биохимические средства, гормоны и феромоны (половые аттрактанты), изменяющие поведение вредителей и действующие лишь на определенный вид. Обзоры этого вопроса дают Блюм (Blum, 1969) и Силверстейн (Silverstein, 1981).
Более подробные сведения об интегрированном контроле вредителей можно найти в работах Смита и ван ден Босха (Smith, van den Bosch, 1967), Кеннеди (Kennedy, 1968), Флинта и ван ден Босха (Flint, van den Bosch, 1981), Бэтры (Batra, 1982) и обзорах, подготовленных Национальной Академией наук США и Советом? по качеству окружающей среды.
Источник