ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2008, том 420, № 3, с. 395-400
= ГЕОГРАФИЯ
УДК 628.81
ГЛОБАЛЬНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ И ФУНКЦИИ АЗОТА
В ГИДРОСФЕРЕ
© 2008 г. Член-корреспондент РАН Т. И. Моисеенко, И. И. Руднева
Поступило 27.08.2007 г.
Глобальное нарастание содержания азота в водах суши и морей происходит вследствие их загрязнения смываемыми с полей удобрениями, хозяйственно-бытовыми сточными водами, сжигания топлива и выпадения из загрязненной атмосферы. Всего человечеством мобилизуется около 150 млн. т азота ежегодно [1]. В отличие от наметившихся тенденций снижения выбросов многих загрязняющих веществ в России, Европе и США в конце прошлого века эмиссия азотсодержащих соединений нарастала. В историческом срезе выбросы NOx начали увеличиваться в конце 1800-х и особенно в начале 1900-х годов, прежде всего в Северной Америке и Европе. Эмиссия NH3 в окружающую среду от использования удобрений стала стремительно нарастать в последние три десятилетия, особенно в азиатских странах, и превысила NOx эмиссию уже в конце 1980-х. По оценкам Galloway и др. [1], производство оксидов азота от сжигания топлива определяется в 20 млн. т N в год, что вдвое выше естественной эмиссии, оцененной в 9 млн. т N в год. За счет минеральных удобрений в окружающую среду добавляется еще около 80 млн. т N в год. Дополнительно около 50 млн. т N в год высвобождается в атмосферу в виде NH3, что в 2.5 раза больше по сравнению с поступлением NOx от сгорания каменного угля. Выбросы NOx превалируют в странах с высоким валовым национальным продуктом, а эмиссия NH3 - в странах, ориентированных на производство продовольствия [2]. Бесспорно, приведенные глобальные оценки являются приближенными, но позволяют осознать значимость загрязнения окружающей среды азотными соединениями.
Широко известны две проблемы, связанные с загрязнением вод азотными соединениями: закис-ление вод, которое происходит на водосборах,
Институт водных проблем Российской Академии наук, Москва Институт биологии южных морей Национальной Академии наук Украины, Севастополь
уязвимых к кислотным выпадениям по геологическим условиям [1, 2], и эвтрофирование, которое развивается в условиях сопряженного с фосфором загрязнения [3]. Вместе с тем существует и третья серьезная проблема, связанная с избыточными концентрациями азотсодержащих компонентов в гидросфере, - это образование нитроза-минов в водной среде и гидробионтах. Нитрозами-ны (НА) относятся к классу химических соединений, обладающих канцерогенной и мутагенной активностью [4, 5], они синтезируются путем реакций нитрозирования, когда в качестве нитрозируемых соединений могут выступать различные моно-, ди- и полиамины, а также другие азотсодержащие вещества. Наиболее быстро происходит образование НА в результате взаимодействия вторичных и третичных аминов с нитритами и нитратами. В организм эти соединения как попадают из экзогенных источников (пищи, воды, воздуха), так и образуются в результате нитрификации аммонийного азота микроорганизмами кишечника. Однако, несмотря на высокую опасность этих соединений для водных организмов и человека, изучению этой проблемы уделялось недостаточное внимание.
Таким образом, азот имеет три ключевые функции при развитии антропогеннообусловлен-ных процессов в гидросфере: эвтрофировании, закислении и образовании токсичных и канцерогенных веществ - нитрозаминов.
Азот в процессах эвтрофирова-ния водоемов. Широко известна роль азота как элемента, стимулирующего в совокупности с фосфором эвтрофирование водоемов. Избыточное поступление этих двух элементов приводит к возрастанию продукционных процессов и скорости накопления органического вещества в водных экосистемах. Если соотношение азота к фосфору менее 7, то процессы эвтрофирования будут лимитированы по содержанию азота. Анализ многочисленных литературных данных показывает, что вследствие обогащения водоемов нитратами практически нет озер и рек, где азот является ли-
мкг К/л 1000
800
600
400
200
□ ^общ.
□ N03
Ладога
Онега
Имандра
1
3
12 3
1
3
Рис. 1. Нарастание содержаний азота в загрязняемых заливах крупных озер Северо-Запада в прошлом столетии. Данные приведены для временных периодов: 1 - допромышленный период 1930-1950 гг.; 2 -период интенсивного загрязнения 1950-1990 гг., 3 -период стабилизации и снижения нагрузки по биогенным элементам 1990-2005 гг. График построен по данным [6-8].
митирующим фактором эвтрофирования водных объектов [3]. В качестве примера нами были проанализированы тенденции нарастания содержания азота во второй половине прошлого столетия в загрязняемых заливах крупных озер Северо-Запада - Ладоге (Волховская губа), Онеге (Конда-пожская губа) и Имандре (плес Большая Имандра). Как видно на рис. 1, в 60-90-х годах прошлого века концентрация азота в этих по своей природе
Таблица 1. Прогнозный сценарий антропогенной эмиссии оксидов азота в сопоставлении с оксидами серы из природных и антропогенных источников, пересчитанный на эквиваленты продуцированных кислот, по [2]
Оксид, 1990 г. 2000 г. 2025 г. 2050 г. 2100 г.
млн.т-экв
Природные источники
БО, N0.
1.0
0.4
1.0
0.4
1.0
0.4
1.0
0.4
1.0
0.4
Антропогенные источники
БО, 1.8 1.9 2.9 3.8 3.6
N0, 1.4 1.5 2.3 3.0 4.1
Всего 4.6 4.8 6.6 8.2 9.1
олиготрофных озерах увеличилась в два-три раза по сравнению с более ранним периодом. Многие загрязняемые участки этих озер по ряду критериев соответствуют в современный период эвтроф-ному состоянию, которое характеризуется комплексом нарушений в экосистемах [7, 8]. Несмотря на снижение уровня нагрузки в последние десятилетия, содержание азота в воде этих озер остается высоким.
Антропогенное эвтрофирование прибрежных территорий морей также является глобальной проблемой на планете. Например, в Черном море, особенно в его северо-западной части, количество нитратов, поступающее со стоком рек, катастрофически увеличивалось за последние 25 лет прошлого столетия: в 1950-х годах с водами Дуная, Днепра и Днестра сюда ежегодно попадало 150 тыс. т нитратов и 14 тыс. т фосфатов; в 1980-х годах эти значения увеличились до 340 тыс. т нитратов и 55 тыс. т фосфатов. Огромное количество биогенных элементов, поступающих ежегодно в Черное море, привело к значительному сокращению фотической зоны: если в 50-60-х годах прошлого века она составляла 35 м, то сейчас менее 10 м. Это, в свою очередь, пагубно отразилось на сообществах макроводорослей. Эвтрофирование морских акваторий приводит к нарушению трофической структуры в морской экосистеме и сокращению ее биоразнообразия. В последние годы уловы рыбы в Черном море сократились на 80%, а из 26 видов промысловых рыб осталось только 6 [11]. Следствием обогащения морской среды нитратными компонентами (в совокупности с фосфатными) явились бурное развитие фитопланктона, снижение содержания кислорода в придонных слоях воды и возникновение заморов, когда на 1 км2 дна обнаруживали по 100-200 т мертвых морских организмов, в том числе до 10-15 т рыб [9, 10].
Следствием эвтрофирования вод является феномен "цветения" воды в озерах и морях, обусловленный интенсивным развитием в озерах и морях синезеленых водорослей, выделяющих в среду метаболиты с выраженным токсическим действием на гидробионтов [3].
Азот в процессах закисления вод. Азотные соединения способны обусловливать за-кисление вод. Согласно прогнозным данным, вклад азотных соединений в закисление вод в текущем столетии превысит вклад оксидов серы (табл. 1). Увеличение потока нитратов в наземные экосистемы на первых этапах стимулирует рост растений, в дальнейшем, когда объемы поступления азотных соединений превысят потребности растений и почвенных организмов, нитраты и протоны поступают в больших количествах в водные объекты, что приводит к закислению
0
Денитрификация
Водотоки
Сток
Рис. 2. Схематическая иллюстрация превращений неорганического и органического азота в почвенном горизонте и выноса кислот в водотоки.
вод. Сложный цикл превращений нитратов и аммония в почвах с образованием кислот схематически представлен на рис. 2.
Особое внимание в последние годы уделяется превращениям аммония как одного из важных факторов отсроченного закисления. Рассматриваются три возможные реакции превращений аммония с участием сульфатов в почве:
1) может быть обменен на протон на поверхности почвы:
2-
ч2-
NH4 + H+ + SO4 ^ 2H+ + SO
Н+-ионно-обменные процессы
2) NH+ при поглощении растениями высвобождает протон:
NH+ + H+ + SO4- ^ 2H+ + SO2- ; Поглощение растениями
3) NH+ может нитрифицироваться и поглощаться растениями:
NH+ + H+ + SOI- ^ NO3 + 3H+ + SO4- ^ 2H+ + SO^
±4 -TU т JU4
Нитрификация
TJU4 —Т^Ч TJU4
Поглощение растениями
Если выпадение Н+ приводит к быстрому за-кислению, то влияние КН+ на процессы закисления отсрочено по времени.
С целью оценки обогащения вод азотсодержащими соединениями и их вклада в процессы закисления вод были проведены исследования 360 малых озер на территории европейской части России, удаленных от каких-либо прямых источников загрязнения - от зоны тундры до сухих степей. Методы исследований и аналитических измерений более детально изложены в работе Т.И. Мои-сеенко [12].
Анализ распределения азотсодержащих соединений на территории Европейской части России показал, что нитраты преобладают в регионах с развитой индустрией, преимущественно в средней полосе России, тогда как аммонийная форма - в более южных регионах с развитым сельским хозяйством (рис. 3). Следует подчеркнуть, что приведенные значения содержаний соединений азота отражают последствия глобального и регионального загрязнений вод суши, так как исследовались озера за пределами зон загрязнения. Для оценки относительного вклада сульфатов и нитратов в процессы закисления использован коэффициент К№, который определялся как соотношение [13]:
= N03 /(+ N0-).
В регионах, где определяющим фактором закисления являются сульфаты - значения близки к 0 и возрастают по мере увеличения доли нитратов в анионном составе вод. Распределение значений данного показателя в широтной зональ-
мкг/л
400 г
300 200 100
0
1200
1000
800
600
400
200
0 0.4
0.3
0.2
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.