Во многих западных странах существует система постоянного физико-химического и микробиологического контроля атмосферного воздуха, что позволяет оценить некоторые закономерности миграции воздушных загрязнений, изменения видового и количественного состава микрофлоры воздуха, предупредить негативное влияние аэрогенной химической и микробной контаминации на человека и окружающую среду. Например, в ходе такого мониторинга в Швеции было отмечено резкое увеличение числа споровых палочек, обусловленное переносом жизнеспособных бактериальных спор пылевыми бурями с северного побережья Черного моря, что позволило специалистам принять необходимые и своевременные меры (Bovalius, Bucht, Roffey, Anas, 1978).
Задымление воздуха ведет к ухудшению микроклимата города, увеличению числа туманных дней, уменьшению прозрачности атмосферы и снижению освещенности, ультрафиолетовой радиации. Любые виды дыма содержат такие углеводороды, как бензопирен и гидразин. В последнее время наблюдается увеличение числа туманных дней, что связано как с влиянием атмосферных загрязнений, так и с потеплением городского климата (Хайруллин, Яковлев, Непилина, 1993). Сам по себе туман не опасен для человеческого организма. Он становится вредным, когда чрезвычайно загрязнен токсическими примесями. Токсические туманы наблюдаются в периоды неблагоприятных метеорологических условий, сопровождающихся резким увеличением концентрации в атмосферном воздухе сернистого газа и взвешенных веществ. Они являются причиной различных патологических изменений в организме и резкого обострения легочных и сердечно-сосудистых заболеваний (Савенко, 1991).
Загрязненная атмосфера снижает солнечную радиацию, что отрицательно влияет на физическое и эмоциональное состояние людей: появляется усталость, зрительное напряжение, раздражительность. Эти явления у мужчин наблюдаются чаще и проявляются ярче, чем у женщин. Световой голод способствует D-авитаминозу, что снижает сопротивляемость организма к простудным и инфекционным заболеваниям, ухудшает самочувствие и работоспособность. Выраженным проявлением D-авитаминоза является рахит.
Токсичные вещества, попадающие в атмосферу в процессе хозяйственной деятельности человека, разносятся воздушными течениями. Многие из них реагируют с другими загрязнителями, в результате чего образуются различные смеси загрязнителей. В некоторых случаях результат их воздействия на окружающую человека среду и его здоровье намного сильнее, чем действие каждого из загрязнителей в отдельности.
В последнее время в атмосфере значительно увеличилось содержание тяжелых металлов, попадающих в воздух с пылью из почвы и оказывающих особенно неблагоприятное действие на организм.
Ущерб здоровью населения является самым грозным последствием загрязнения воздуха городов. Организм взрослого человека ежесуточно потребляет в среднем 20 куб. м воздуха, а организм ребенка - в два раза больше. Загрязненный воздух, попадая в легкие, включается в процессы жизнеобеспечения. Характер и степень влияния загрязненного атмосферного воздуха на организм человека разнообразны. Это зависит от вида загрязнителя, его концентрации в воздухе, длительности и периодичности воздействия. Комплексное действие группы загрязнителей, комбинация загрязнений атмосферы и других сред, сочетание с неблагоприятными социальными, физическими и биологическими факторами отягощают вредное влияние на организм. Наиболее уязвимы дети, пожилые и престарелые люди, больные, работники вредных производств, курильщики и др.
В условиях загрязненного воздуха наблюдается повышенная заболеваемость и смертность от сердечно-сосудистых заболеваний по сравнению с местностями с чистым воздухом. Установлена статистически прямая зависимость между загрязненностью атмосферного воздуха и заболеваемостью населения бронхитами, бронхиальной астмой, эмфиземой легких, а также смертностью от заболевания органов дыхания (Carnow, Lepper, Shekella, 1969, Детри, 1973). Отмечается повышение заболеваемости детей респираторными заболеваниями под влиянием загрязненности атмосферного воздуха. Это обусловлено функциональными особенностями органов дыхания (Revich, 1992).
При содержании карбоксигемоглобина в крови 4% и более наблюдаются функциональные сдвиги в организме и повышенная опасность для людей, страдающих заболеваниями сердечно-сосудистой системы.
Оксид углерода активно взаимодействует с дыхательными ферментами, миоглобином, негемоглобиновым железом плазмы крови и нарушает углеводный и фосфорный обмен. Наблюдаются неблагоприятные последствия хронического влияния малых концентраций окиси углерода на световую и цветовую чувствительность зрительного анализатора, сдвиги биопотенциалов головного мозга, нарушение временных интервалов психомоторной реакции, сдвиги морфологических показателей состава крови - эритроцитоз, полиглобулия (Фельдман, 1975). Повышенные концентрации оксида углерода в атмосфере могут провоцировать сердечные приступы. Установлена прямая связь между частотой сердечных приступов и повышением концентрации оксида углерода.
При повышенном содержании в воздухе оксидов серы, азота, различных органических веществ поражается слизистая оболочка глаз, органов дыхания, возрастает число случаев бронхиальной астмы, злокачественных и наследственных заболеваний, мертворождаемости, нарушения репродуктивной функции и т.д. (Тезиева, Легостаева, Цаллагова и др., 1993).
Выявлена корреляционная связь загрязнения атмосферного воздуха и болезней крови и кроветворных органов, глаз, верхних дыхательных путей, уха и сосцевидного отростка, кожи и подкожной клетчатки, а также общей заболеваемости (Иванов, Токаренко, Куликова, 1993).
Существует объективная зависимость между уровнем загрязнения атмосферного воздуха и показателями распространенности экологически значимых форм патологии у детей (Дермаков и др., 1993).
Загрязненный воздух является одной из причин возникновения аллергических реакций. Одним из проявлений таких реакций является бронхиальная астма. Описаны случаи сезонных вспышек бронхиальной астмы у лиц, ранее не страдавших этим заболеванием. Как оказалось, эти вспышки связаны с загрязнением городского воздуха продуктами сжигания мусорных свалок и опавшей листвы.
Установлено, что пыльца деревьев, растущих вблизи автодорог или улиц с интенсивным движением автотранспорта, обладает большей агрессивностью и вызывает большее число аллергических заболеваний, чем каждый из этих факторов (пыльца или автотранспорт) в отдельности. Длительный производственный контакт с вредными химическими веществами снижает порог чувствительности к пылевым аллергенам (Федосеева, Стомахина, Осипенко, Аристовская, 1993).
Вследствие поступления в воздух пахучих веществ у части населения возникают более или менее выраженные рефлекторные реакции, обусловленные восприятием таких запахов (неприятные ощущения, состояние беспокойства, головные боли, тошнота, аллергические реакции). Загрязненный городской воздух снижает общую резистентность организма и специфический иммунитет. Это, в свою очередь, способствует возникновению респираторных заболеваний, особенно распространенных среди детей. Частота респираторных заболеваний и ухудшение функций легких у детей тесно связана с уровнем загрязнения атмосферного воздуха (Медицина окружающей среды, 1981; Kilbum, Warshaw, Thornton, 1992). При наблюдении группы детей с момента рождения до 20 лет ученые обнаружили, что у детей, перенесших в течение первых двух лет жизни заболевания легких, к двадцатилетнему возрасту проявлялась более выраженная склонность к респираторным заболеваниям (Бухарин, Дерябин, 1993). Поэтому предотвращение острых респираторных заболеваний в детстве, оздоровление окружающей среды может способствовать снижению смертности от легочных заболеваний у взрослых. Для оперативного управления качеством городской среды и здоровьем населения, необходимы полные и достоверные сведения об экологической ситуации на основе материалов систематического контроля за содержанием вредных веществ в окружающей среде, уточнения данных о выбросах всех предприятий и автотранспорта, данных о состоянии здоровья людей и перспективах развития города (Гильденскиольд, Новиков, Винокур и др., 1993).
Загрязнение почвы
Роль почвы в процессах взаимодействия человека и биосферы очень велика. В первую очередь она проявляется в процессах производства продуктов питания, промышленной продукции, а также в сохранении устойчивости биосферы к загрязняющим веществам, процессах ее очистки от загрязнений. Почва представляет собой гигантскую экологическую систему со своей внутренней атмосферой, своеобразным водным режимом, определенной фауной и флорой, а также составом минеральных элементов (Городний, Мельник, Повхан и др., 1990). В то же время, являясь сложной, она еще и динамичная среда, так как приобретает свои свойства постепенно под совместным влиянием воздействующих на нее факторов.
Почва является основным регулятором обменных процессов в биосфере, основным резервуаром ее процессов самоочищения. Это значение почвы определяется обилием в ней различных организмов и в первую очередь микроорганизмов, которые играют важнейшую роль в минерализации остатков органических веществ, обеспечении круговорота их энергии в природе. Поэтому сохранение почвенного покрова является одним из условий обеспечения и поддержания экологического равновесия в биосфере, так как почва - важнейший биологический адсорбент и нейтрализатор загрязнения.
Почва является тем элементом городского жизнеобеспечения, в котором происходит депонирование, разрушение и превращение в нетоксичные соединения основной массы поступающих в нее органических и неорганических веществ (Мирка, 1990). Загрязнение почвы снижает ее качество и способность к самоочищению. К тому же почва городских улиц отличается низким содержанием гумуса, ослабленным выщелачиванием и рН не ниже 7,5 - 8,5 (Krieter, 1993).
Почвенный покров Калуги характеризуется сложными тектоническими условиями, которые нарушают газовую и гидрохимическую вертикальную зональность и стимулируют миграцию при благоприятных условиях газов и соленых вод вверх по разрезу. Из-за отсутствия мощных выдержанных водоупоров и проявления трещинной гидротектоники все водоносные горизонты верхней гидродинамической зоны взаимосвязаны.
Эти особенности почвенного строения не были в необходимой мере учтены при застройке города, размещении промышленных предприятий, полигона по утилизации бытовых отходов и газохранилища. В результате в ряде районов города создались неблагоприятные условия и для жизни людей, и для окружающей природы. Статическое воздействие от жилых многоэтажных домов и промышленных объектов привело к уплотнению и деформации грунтов. На улицах с интенсивным движением, стройплощадках, железнодорожных магистралях, проходящих через город, наблюдается динамическое, неравномерное уплотнение грунтов. Поэтому на значительной части территории города развивается овражно-балочная эрозия, оползни, карстово-суффозионные процессы, подтопление, загрязнение почв и формирование геохимических полей.
Геоэкологическое исследование территории города выявило ряд газогеохимических аномалий почвенного покрова, связанных как с природными, так и с техногенными процессами. Это касается прежде всего утечки метана в пределах подземного газохранилища (кстати, четко обнаруживаемой с помощью биоиндикации), гелиевой аномалии с распределением гелия во все тектонические разломы калужской кольцевой структуры, радоновой аномалии в пределах городской черты.
Почва города подвергается также интенсивному антропогенному и техногенному воздействию. Вокруг промышленных предприятий и автомагистралей образовались техногенные биогеохимические провинции с повышенным содержанием солей тяжелых металлов. По суммарному показателю загрязнения почвы 1,5% площади города относится к умеренно-опасной категории, 2% - к опасной и 0,5% - к чрезвычайно опасной.
Территория со слабой интенсивностью загрязнения почвы (близкой к естественной) выделяется в районе городского соснового бора, северо-восточнее Калуги и к югу от городской черты (д. Андреевское).
Умеренно-опасная интенсивность изменения геологической среды наблюдается в основном на левобережье р. Оки, в сельхозугодьях и водоразделах.
Опасное загрязнение почвенного покрова отмечается в различных районах селитебной части города.
Чрезвычайно опасное загрязнение почвы наблюдается в центральной части города, промзонах, вдоль городских магистралей с интенсивным транспортным потоком. Потенциальным источником загрязнения почвы являются бытовые отходы на городской свалке, и, в частности, полимерные упаковочные материалы и пластиковые бутылки, составляющие до 20% общей массы. В них содержится 25% меди, 22% свинца, 25% цинка и 72% хлора, выбрасываемых с бытовым мусором (Wirsig, 1990).
В отдельных образцах почвы г. Калуги обнаружены повышенные концентрации таких элементов, как медь (до 96 ПДК), цинк (до 15 ПДК), свинец (до 23 ПДК).
Установлено, что в зависимости от уровня загрязнения почвы тяжелыми металлами наблюдается рост заболеваемости населения, частоты патологии беременности и родов, отклонений в физическом развитии детей. Установлена также корреляционная связь между количеством тяжелых металлов в почве и воде и уровнем заболеваемости злокачественными новообразованиями. Попадая в организм, тяжелые металлы в течение длительного времени находятся в тканях и органах. Средний срок пребывания свинца в организме человека составляет 5 лет, кадмия - 8 - 14 лет, стронция - 90 - 100 дней (Cumbrowsci, 1991).
Большая часть городских почв загрязнена свинцом. Свинец в почве может находиться в виде самых разнообразных соединений. Это чистый или элементный свинец, сульфаты и карбонаты свинца, диоксид свинца (Krishnamurthy, 1992). Особенно ядовитым соединением является тетраэтилсвинец, который добавляют к бензину для подавления детонации. При сгорании 1 л горючего в воздух попадает 200 - 400 мг свинца. В год один автомобиль выбрасывает около 1 кг свинца. В городском воздухе свинца в 20 раз больше, чем в сельской местности.
Наиболее чистая почва (в городском бору) содержит не более 0,5 млн колониеобразующих клеток на 1 г. При наличии различного рода загрязнений количество микрофлоры резко возрастает. О санитарном неблагополучии почвы свидетельствует также присутствие бактерий группы кишечной палочки. Наибольшее количество этих бактерий обнаруживается в местах скопления бытовых отходов, вокруг мини-рынков, вокруг территории городских очистных сооружений и городской свалки.
Следует отметить, что по мере загрязнения почвы существенно снижается относительное количество спорообразующих микроорганизмов. Наибольший процент спорообразующих бактерий обнаруживался в почве городского бора и наименьший - в почве городской свалки. Наличие достаточно высокого относительного количества неспорообразующих микроорганизмов в почве различных участков города также свидетельствует о ее хронической загрязненности.
Загрязнение воды
Вода представляет собой основу существования всего живого на Земле. Невозможно представить себе протекание любого биологического процесса при отсутствии воды, она необходима для всех форм жизни на Земле. Вода обеспечивает существование природных сообществ и человеческой цивилизации. Возникновение центров человеческой цивилизации, начиная от стоянки древнего человека и кончая современными индустриально развитыми городами, территориально связано с источниками водоснабжения. По мере научно-технического прогресса и развития городов возрастает годовая потребность человечества в воде. Если в 1971 году она составляла 4000 км3, то к 2000 году она возросла до 8000 км3, а к 2025 году может наступить равновесие между потребностью воды и природными возможностями (Brecht, 1975).
Вода является важнейшей составной частью живого организма. Например, организм человека на 64% состоит из воды. Меньше всего воды в костях (от 22 до 34%). В жировой ткани различных внутренних органов и в мышцах содержание воды достигает 70 - 80%, в нервных волокнах - 82 - 94%; в крови - до 90%, а в слюне - 99,5%. У взрослого человека в нормальных условиях температуры и влажности воздуха баланс воды составляет в среднем 2,2 - 2,8 л в сутки.
Состав питьевой воды оказывает значительное влияние на здоровье людей. Вода может быть источником распространения инфекционных заболеваний, а нарушение солевого состава может стать причиной серьезных нарушений в организме человека, поэтому качество воды должно удовлетворять определенным химическим, бактериологическим и органолептическим требованиям (органолептические показатели включают запах, привкус, мутность и цветность).
Для производственного и бытового потребления Калуга снабжается водой из поверхностных и подземных природных источников. Основная часть воды поступает к потребителям - населению и предприятиям - по городской водопроводной сети, обслуживаемой ГП "Калугаоблводоканал". Протяженность находящейся в ведении предприятия водопроводной сети - почти 350 км (табл. 3.1). Кроме этого, большинство крупных калужских предприятий эксплуатируют артезианские скважины (получившие название от французской провинции Артуа, где в XV веке их впервые задействовали), забирая воду из подземных горизонтов (всего ок.2800 тыс. м3/мес). Часть населения Калуги пользуется водой из имеющихся на территории города или пригорода родников. К перечисленным в таблице подземным водозаборам следует добавить ведомственные артскважины, находящиеся в ведении различных предприятий и организаций города: АО "Калужский турбинный завод" и АО "Аромасинтез" и др. Таким образом, всего в числе подземных источников в пределах Калуги эксплуатируются 40 водозаборов с общим количеством скважин 135, в т. ч.25 из них резервных и 15 - законсервировано. Из источников подземного водоснабжения 81% относятся к упинскому водоносному горизонту. Разведанными запасами подземных вод на 2000 год город обеспечен на 68%.
Нерациональная и неразумная эксплуатация этих водозаборов, использование чистейшей воды для промышленных целей привели к истощению природных источников. Превышение водоотбора, по сравнению с утвержденными расходами, способствовало быстрому снижению уровня воды, подтягиванию солоноватых вод из других горизонтов, образованию депрессивных воронок.
Как показало региональное гидрохимическое апробирование поверхностных водозаборов в различных городах России, ни один технологический способ очистки при получении питьевой воды не дает 100% гарантии извлечения всех токсичных элементов, особенно их комплексно-органических соединений. В случае попадания в воду токсичных, особенно низкомолекулярных соединений, они по существующей технологии не будут обезврежены и попадут к потребителю.
Очистные сооружения водопроводов, построенные много лет назад и рассчитанные, как и калужские, лишь на осветление и обеззараживание, не способны обеспечить достаточную защиту населения от воздействия через воду таких высокотоксичных ксенобиотиков, как диоксины, бензопирены, пестициды и фенолы.
Поэтому использование р. Оки как источника питьевого водоснабжения требует хорошо организованного экологического мониторинга воды выше и в зоне водозабора, разработки целого комплекса мероприятий на случай обнаружения токсичных веществ, в том числе сложных хлорорганических соединений и фенола. У города должен быть вариант быстрого переключения на другие источники водоснабжения в случае аварийной ситуации на Окском водозаборе.
Артезианские источники водоснабжения отличаются высоким качеством питьевой воды. Они залегают ниже одного, двух или нескольких слоев водоупорных пород, лучше защищены от антропогенного воздействия и не требуют дорогостоящей очистки. Эту воду отличает полная прозрачность, бесцветность, отсутствие взвешенных веществ, низкая температура, отсутствие органических загрязнений и высокая чистота в бактериальном отношении. Однако хозяйственная деятельность неизбежно оказывает влияние на качество подземных вод.