Контрольная работа: Современные проблемы охраны окружающей среды
Принцип работы многих видов энергосистем основан на преобразовании тепла, полученного при сжигании топлива. Смена топлива требует и кардинального обновления всей энергосистемы. В настоящее время основными видами топлива являются нефть, природный газ и их продукты. Чтобы сберечь данные ценнейшие природные ресурсы для более рационального их использования – производства ценной химической продукции в течение более длительного времени, нужно переходить на альтернативные источники топлива. Один из таких источников – каменный уголь, который долгое время служил топливом для паровых машин. Низкий коэффициент полезного действия таких машин привел к их замене, а вместе с ними и топлива. Тем не менее в энергетике ряда стран Центральной и Восточной Европы до сих пор каменный уголь играет важную роль: с его применением производится около 65% электроэнергии. Устаревшие тепловые электростанции, потребляющие угль, вне зависимости оттого, где они эксплуатируются, нуждаются не только в переоснащении и модернизации, но и в новой технологии сжигания угля. Разработке таких технологий уделяется большое внимание. Одна из перспективных технологий основана на сжигании угля в циркулирующем кипящем слое. В результате многократной циркуляции происходит полное эффективное сжигание частиц топлива при температуре 800–900° С и резко снижается образование вредных оксидов азота – в 5–10 раз по сравнению с традиционным пылевидным сжиганием. Уже построено и эксплуатируется несколько десятков угольных электростанций с циркулирующим сжиганием без вредных выбросов в атмосферу в ряде развитых стран: США, Германии, Франции и др.
В настоящее время нефтехимическое производство потребляет сравнительно небольшую долю добываемой нефти – от 3 до 5%. Хотя потребление нефти химической промышленностью не является основной причиной столь быстрого истощения ее природных запасов, но его последствия неизбежно приведут к замене сырья и изменению технологических процессов. В то же время цена конечной продукции нефтехимического производства относительно высока, поэтому истощение нефтяных и газовых ресурсов в меньшей степени повлияет на сырьевое обеспечение химической промышленности, чем на производство энергии и тепла. Разработаны и внедряются технологии эффективной переработки угля для последующего использования продуктов переработки в химической промышленности, а запасов угля хватит на более длительный срок, чем нефти и газа.
Нефть, природный газ и уголь постепенно уступают свои позиции более энергоемкому источнику – ядерному топливу. Запасы ядерного топлива по сравнению с запасами, например угля, не столь уж велики. Но зато энергия единицы массы ядерного топлива в миллионы раз больше, чем угля. Внедрение перспективной технологии преобразования ядерного топлива в реакторе-размножителе на быстрых нейтронах, который не только вырабатывает энергию, но и производит вторичное топливо – плутоний, открывает большие возможности для развития атомной энергетики.
При создании любой современной энергосистемы решается задача не только производства дешевой энергии, но и сохранения окружающей среды. В этой связи возрастает интерес к разработке перспективных технологий преобразования энергии Солнца, ветра, геотермальных источников и Мирового океана.
2. Промышленность, автотранспорт и окружающая среда
Модернизация технической базы промышленности
Промышленные предприятия, выпуская ту или иную продукцию, потребляют большое количество природных ресурсов и энергии. В этой связи к современным предприятиям предъявляются требования не только производить высококачественную продукцию, но и экономно расходовать природные ресурсы, сберегать энергию и тем самым сохранять окружающую среду. Техническое оборудование любого промышленного предприятия устаревает. Новые технологии требуют кардинального обновления устаревшего оборудования, т.е. модернизации технической базы промышленности в целом.
Современная промышленность включает множество отраслей, связанных с производством разнообразных материалов, автомобильной и авиационной техники, технических средств связи, станков, инструментов и многого другого. Промышленных отраслей много, и каждая из них имеет свою специфику. Поэтому практически невозможно охарактеризовать техническое обновление каждой из них, что гораздо проще сделать на примере одной из них – важнейшей отрасли – автомобилестроении.
Автомобильная промышленность в XX в. выросла в гигантскую отрасль. Только за последние 50 лет мировой автопарк увеличился более чем в 12 раз и превысил 630 млн машин. Особенно бурно этот процесс развивался в Европе, где за полвека произошел примерно 30-кратный скачок – с 7 до 230 млн автомобилей. Их производство в 1995г. составило: в США– 12 млн, в Японии – 10,2 млн, в Германии – 4,7 млн, во Франции– 3,5 млн, в Великобритании– 1,8 млн, в Италии– 1,7 млн автомобилей. Всего же в мире с конвейеров автозаводов ежегодно сходит более 40 млн машин. В таких странах, как Канада, Германия, Италия, Франция, Япония, Великобритания на 1000 жителей приходится 500–700 автомобилей, в США – около 800, в России – менее 150. По некоторым прогнозам, рост мирового автомобильного парка будет продолжаться и в первой четверти XXI в.
Примерно до 60-х годов во всем мире производились автомобили без надлежащего учета экономичности. Топливо было недорогим и, следовательно, не было стимулов его экономии. В середине 60-х годов на мировом рынке появилась продукция фирмы «Фольксваген», поставлявшая ежегодно более полумиллиона небольших экономичных автомобилей. В следующее десятилетие началось вторжение на мировой рынок автомобилей, изготовленных в Японии. В результате сбора проектной, технологической и инженерной информации японские фирмы создали высокоавтоматизированную и эффективную автомобильную промышленность, способную выпускать самые экономичные и дешевые автомобили в мире.
Предпринимаемые меры по сохранению окружающей среды включают требования экономного расхода топлива и строгие ограничения на загрязнение воздуха отработанными газами. Экономия топлива и достижение безвредного выхлопа требуют решить целый комплекса задач: повышение эффективности сгорания топлива, модернизация двигателя и других узлов автомобиля, использование очищенного от вредных примесей топлива, уменьшение массы автомобиля, антикоррозийная обработка деталей и узлов автомобиля, совершенствование трансмиссионной системы, каталитическое обезвреживание выхлопных газов и др. Повышение эффективности сгорания топлива обеспечивает, например, электронное управление всех стадий процесса сжигания смеси в рабочей камере. А для такого управления нужны современные микропроцессорные устройства, производство которых основано на микроэлектронной технологии, во многом определяющей уровень развития различных отраслей промышленности.
Все крупные автомобильные компании, особенно в последние годы, занимаются разработкой новых двигателей с наиболее полным сгоранием топлива. Результаты таких разработок налицо: современные автомобили ведущих фирм Европы и США выбрасывают в атмосферу в 10–15 раз меньше вредных веществ, чем автомобили 80-х годов. Этому в значительной степени способствовали такие нововведения, как многоклапанные системы газораспределения, впрыск топлива вместо карбюраторного смесеобразования, электронное зажигание и др. При пуске холодного двигателя в современных карбюраторах используются автоматы пуска и прогрева.
Большое внимание уделяется подбору обедненных регулировок дозирующих систем карбюратора. На двигателях с впрыском топлива появились электронные системы коррекции состава горючей смеси в зависимости от температуры, климатических и других условий. Система термостатирования воздуха, поддерживающая его температуру на входе в двигатель, создает оптимальные условия для приготовления горючей смеси. Система зажигания с высокой энергией разряда свечи повышает надежность воспламенения смеси, особенно на режимах холостого хода. Для уменьшения выброса оксидов азота используется циркуляция – перепуск части отработавших газов из выпускного трубопровода во впускной – при этом понижается температура сгорания и их образуется, значительно меньше. Рециркуляция применяется не только на двигателях с искровым зажиганием, но и на дизелях. Перспективны в этом плане и системы электронного регулирования, оптимизирующие работу двигателя на всех режимах. Кроме того, автомобильные заводы планомерно ужесточают технологические допуски и повышают точность изготовления приборов питания и зажигания, впускной и выпускной систем, деталей кривошипного механизма и газораспределения. Благодаря таким усовершенствованиям загрязнение атмосферного воздуха заметно уменьшается. И все же полностью удалить токсичные вещества из отработавших газов не удается.
Больше 20 лет назад возникла идея поглощения вредных веществ в выпускной системе автомобиля, т. е. до выброса их в атмосферу. На пути отработавших газов стали устанавливать каталитические нейтрализаторы – специальные устройства, в несколько раз уменьшающие токсичность выхлопных газов. Проходя через нейтрализатор, несгоревшие углеводороды окисляются до нетоксичных оксидов, а оксиды азота восстанавливаются до азота и кислорода.
Многочисленные полимерные материалы, алюминиевые и высокопрочные стальные и другие сплавы способствуют уменьшению массы автомобиля. Изготовление крупных деталей из полимерных материалов методом литья под давлением, применение композиционных материалов с волокнистой структурой для ведущего вала, керамический блок цилиндров и т. п. – все это коренным образом изменяет не только технологию изготовления автомобиля, но и его конструкцию и внешний вид. Только впитав важнейшие достижения современного естествознания, и прежде всего новейших технологий, выпускаемый автомобиль будет наносить минимальный вред окружающей среде, станет экономичным и комфортабельным и, следовательно, конкурентоспособным. Такие качества может обеспечить в современных условиях только модернизация технической базы автомобильной промышленности.
Модернизация технической базы – необходимое условие для успешного развития промышленных предприятий, производящих не только автомобили, но и самолеты, аудио- и видеотехнику, персональные компьютеры и другие виды продукции.
Автотранспорт и окружающая среда
Во многих больших городах, таких, как Берлин, Мехико, Токио, Москва, Санкт-Петербург, Киев, загрязнение воздуха автомобильными выхлопами и пылью составляет, по разным оценкам, от 80 до 95% от всех прочих загрязнений. Дым, выбрасываемый заводскими трубами, испарения химических производств и все прочие отходы деятельности большого города составляют примерно 7% от общей массы загрязнений.
Автомобильные выхлопы в городах особенно опасны тем, что загрязняют воздух в основном на уровне человеческого роста. И люди вынуждены дышать загрязненным воздухом. Человек потребляет в сутки 12м3 воздуха, автомобиль – в тысячу раз больше. Например, в Москве автомобильный транспорт поглощает кислорода в 50 раз больше, чем все население города. При безветренной погоде и низком атмосферном давлении на оживленных автомобильных трассах содержание кислорода в воздухе нередко снижается до величины, близкой к критической, при которой люди начинают задыхаться, падать в обморок. Сказывается не только недостаток кислорода, но и вредные вещества автомобильного выхлопа. Особенно это опасно для детей и людей со слабым здоровьем. Обостряются сердечно-сосудистые и легочные заболевания, развиваются вирусные эпидемии. Люди нередко даже не подозревают, что это связано с отравлением автомобильными газами.
Число автомобилей в городах и на автотрассах из года в год увеличивается. Экологи считают, что там, где численность их превышает одну тысячу на км2, среду обитания можно считать разрушенной. Число машин берут в пересчете на легковые автомобили. Тяжелые транспортные машины, работающие на нефтяном топливе, особенно сильно загрязняют воздух, разрушают дорожное покрытие, губят зеленые насаждения вдоль дорог, отравляют водоемы и поверхностные воды. Кроме того, они выделяют такое огромное количество газа, что в Европе и европейской части России оно превышает массу испаряемой воды из всех водоемов и рек. Как следствие все чаще возникает облачность, сокращается число солнечных дней. Серые, без солнца дни, непрогретая почва, постоянно повышенная влажность воздуха – все это способствует росту разных заболеваний, снижению урожайности сельскохозяйственных культур.
В мире ежегодно добывают более 3 млрд т нефти. Добывают тяжелым трудом, с колоссальными затратами, с большим экологическим ущербом для природы. Значительная часть ее (около 2 млрд) уходит на бензиновый и дизельный транспорт. Средний кпд двигателя автомобиля всего 23% (для бензиновых двигателей– 20, для дизельных– 35%). Значит, больше половины нефти сжигается впустую, идет на нагрев и загрязнение атмосферы. Но и это еще не все потери. Главный показатель – не КПД двигателя, а коэффициент загрузки транспорта. К сожалению, автомобильный транспорт используется чрезвычайно неэффективно. Разумно построенное транспортное средство должно перевозить груз больше собственного веса, именно в этом его эффективность. На практике же этому требованию соответствуют лишь велосипед и легкие мотоциклы, остальные машины в основном возят сами себя. Получается, что КПД автомобильного транспорта не более 3–4%. Сжигается огромное количество нефтяного топлива, а энергия расходуется чрезвычайно нерационально. Так, например, одна машина КамАЗ расходует столько энергии, что ее было бы достаточно для обогрева зимой 50 квартир.
На протяжении многих веков основным видом транспорта для человека была лошадь. Энергия в 1 л. с. (это в среднем 736 Вт), добавленная к собственной мощности человека, позволяет ему и достаточно быстро передвигаться, и выполнять почти любую необходимую работу. Бум в автомобилестроении увлек нас к величинам мощности в 100, 200, 400 л. с., и теперь чрезвычайно сложно вернуться к вполне достаточной норме – 1 л. с., при которой было бы не так уж трудно обеспечить экологическую чистоту окружающей среды.
Как же решить проблему создания эффективного транспорта? Перевести транспорт на газовое топливо, перейти на электромобили, поставить на каждую машину специальный поглотитель вредных продуктов сгорания и дожигать их в глушителе – все это поиски выхода из тупика, в котором оказались не только Россия, но и вся Европа, США, Канада, Мексика, Бразилия, Аргентина, Япония, Китай. К сожалению, ни один из данных путей не ведет к полному решению проблемы. При любом из них остаются перерасход энергии, выбросы пара, углекислого газа и многое другое. Очевидно, нужен хорошо сбалансированный комплекс мер. И обязательное исполнение их должно опираться на четкие, строгие законы, среди которых могут быть, например, такие:
запрет на выпуск автомобилей, потребляющих при пробеге 100 км более 1–2 л горючего на тонну массы машины (возможны единичные исключения);
учитывая, что в легковом автомобиле чаще всего едут один-два человека, целесообразно выпускать больше двухместных машин.
Размер налога на транспорт (автомобиль, трактор, трейлер и др.) должен определяться количеством потребляемого топлива. Это позволит привести в соответствие экономическую целесообразность перевозки грузов автотранспортом и повышающийся при этом уровень экологического загрязнения. Кто больше загрязняет нашу среду обитания, тот обязан платить обществу больший налог.
Один из способов сокращения вредных автомобильных выбросов – применение новых видов автомобильного топлива: газа, метанола, метилового спирта или смесь его с бензином – газохола. Например, на метаноле работает уже несколько лет весь общественный транспорт Стокгольма. Воздействие автомобильных отработавших газов на атмосферу существенно снижают обычные зеленые насаждения. Анализ воздуха на смежных участках одного и того же шоссе показывает, что загрязняющих веществ меньше там, где есть островок зелени, хотя бы несколько деревьев или кустарников.
Объем токсичных веществ в воздухе напрямую зависит от скорости движения транспорта по улицам города. Чем больше автомобильных пробок, тем гуще выхлоп. В этой связи необходимо непрерывно совершенствовать дорожно-транспортную систему города для создания оптимальных условий движения транспорта.
3. Города и природа
Экологические проблемы городов
Нередко считают, что экологическое состояние городов заметно ухудшилось в последние десятилетия в результате бурного развития промышленного производства. Но это – заблуждение. Экологические проблемы городов возникли вместе с их рождением. Города древнего мира отличались большой скученностью населения. Например, в Александрии плотность населения в I–II вв. достигала 760 человек, в Риме – 1500 человек на 1 га (для сравнения скажем, что в центре современного Нью-Йорка живет не более 1 тыс. человек на 1 га). Ширина улиц в Риме не превышала 1,5–4, в Вавилоне – 1,5–3 м. Санитарное благоустройство городов было на чрезвычайно низком уровне. Все это приводило к частым вспышкам эпидемий, пандемий, при которых болезни охватывали всю страну, а то и несколько соседних стран. Первая зарегистрированная пандемия чумы (она вошла в литературу под названием «Юстиниановой чумы») возникла в VI в. в Восточной Римской империи и охватила многие страны мира. За 50 лет чума унесла около 100 млн человеческих жизней.
Сейчас трудно даже представить, как древние города с их многотысячным населением могли обходиться без общественного транспорта, без уличного освещения, без канализации и других элементов городского благоустройства. И, наверное, не случайно именно в те времена у многих философов стали возникать сомнения относительно целесообразности существования больших городов. Аристотель, Платон, Гипподам Милетский, позднее Витрувий неоднократно выступали с трактатами, в которых рассматривались вопросы оптимальных размеров поселений и их устройства, проблемы планировки, строительного искусства, архитектуры и даже взаимосвязи с природной средой.
Средневековые города уже значительно уступали по размерам своим классическим собратьям и редко насчитывали более нескольких десятков тысяч жителей. Так, в XIV в. население наиболее крупных европейских городов – Лондона и Парижа – составляло соответственно 100 и 30 тыс. жителей. Однако экологические проблемы городов не стали менее острыми. По-прежнему главным бичом оставались эпидемии. Вторая пандемия чумы – «Черная смерть» – вспыхнула в XIV в. и унесла почти треть населения Европы.
С развитием промышленности стремительно растущие капиталистические города быстро превзошли по численности населения своих предшественников. В 1850 г. миллионный рубеж перешагнул Лондон, затем Париж. К началу XX в. в мире было уже 12 городов – «миллионеров» (в том числе два в России). Рост крупных городов шел все более высокими темпами. И снова как самое грозное проявление дисгармонии человека и природы начались одна за другой вспышки эпидемий дизентерии, холеры, брюшного тифа. Реки в городах были чудовищно загрязнены. Темзу в Лондоне стали называть «черной рекой». Зловонные водотоки и водоемы в других крупных городах становились источниками кишечно-желудочных эпидемий. Так, в 1837 г. в Лондоне, Глазго и Эдинбурге брюшным тифом заболела десятая часть населения и примерно треть больных умерла. С 1817 по 1926 г. в Европе отмечено шесть пандемий холеры. В России только в 1848 г. от холеры погибло около 700 тыс. человек. Однако со временем благодаря достижениям науки и техники, успехам биологии и медицины, развитию водопроводного и канализационного хозяйств эпидемиологическая опасность стала значительно ослабевать. Можно сказать, что на том этапе экологический кризис крупных городов был преодолен. Конечно, такое преодоление каждый раз стоило колоссальных усилий и жертв, но коллективный разум, настойчивость и изобретательность людей всегда оказывались сильнее созданных ими же кризисных ситуаций.
Научно-техническая достижения, основанные на выдающихся естественно-научных открытиях XX в. способствовали бурному развитию производительных сил. Это не только огромные успехи ядерной физики, молекулярной биологии, химии, освоение космического пространства, но и стремительный, не прекращающийся рост числа крупных городов и городского населения. Объемы промышленного производства увеличились в сотни и тысячи раз, энерговооруженность человечества возросла более чем в 1000 раз, скорость передвижения – в 400 раз, скорость передачи информации – в миллионы раз и т. д. Такая активная деятельность человека, конечно, не проходит для природы бесследно, поскольку ресурсы черпаются непосредственно из биосферы
И это лишь одна сторона экологических проблем большого города. Другая – в том, что помимо потребления природных ресурсов и энергии, стягиваемых с обширных пространств, современный город с миллионным населением дает огромное количество отходов. Такой город ежегодно выбрасывает в атмосферу не менее 10–11 млн т водяных паров, 1,5– 2 млн т пыли, 1,5 млн т окиси углерода, 0,25 млн т сернистого ангидрида, 0,3 млн т окислов азота и большое количество иных загрязнений, не безразличных для здоровья человека и окружающей его среды. По масштабам воздействия на атмосферу современный город можно сравнить с вулканом.
В чем же особенности нынешних экологических проблем больших городов? Прежде всего – многочисленность источников воздействия на окружающую среду и их масштабность. Промышленность и транспорт – а это сотни крупных предприятий, сотни тысяч или даже миллионы транспортных средств – основные виновники загрязнения окружающей городской среды. Изменился в наше время и характер отходов. Раньше практически все отходы были естественного происхождения (кости, шерсть, натуральные ткани, дерево, бумага, навоз и др.), и они легко включались в кругооборот природы. Сейчас значительная часть отходов – синтетические вещества. Их превращение в естественных условиях происходит крайне медленно.
Одна из экологических проблем связана с интенсивным ростом нетрадиционных «загрязнений», имеющих волновую природу. Усиливаются электромагнитные поля линий электропередач высокого напряжения, радиотрансляционных и телевизионных станций, а также большого числа электромоторов. Повышаются общий уровень акустического шума (из-за высоких скоростей транспорта, из-за работы различных механизмов и машин). Ультрафиолетовая радиация, наоборот, понижается (из-за загрязнения воздуха). Растут затраты энергии на единицу площади, и, следовательно, увеличиваются отдача тепла, тепловое загрязнение. Под влиянием огромных масс многоэтажных домов меняются свойства геологических пород, на которых стоит город.
Последствия таких явлений для людей и окружающей среды изучены еще недостаточно. Но они не менее опасны, чем загрязнения водного и воздушного бассейнов и почвенно-растительного покрова. Для жителей крупных городов все это в комплексе оборачивается большим перенапряжением нервной системы. Горожане быстро утомляются, подвержены различным заболеваниям и неврозам, страдают повышенной раздражительностью. Хронически плохое самочувствие значительной части городских жителей в некоторых западных странах считают специфическим заболеванием. Оно получило название «урбанит».
Особенности мегаполисов
Одна из очень непростых современных экологических проблем связана с быстрым ростом городов, расширением их территории. Города меняются не только количественно, но и качественно. Гигантские метрополии, сгустки городов с многомиллионным населением расползаются на многие сотни квадратных километров, поглощая соседние поселения и образуя городские агломерации, урбанизированные районы – мегаполисы. Они простираются в отдельных случаях на сотни километров. Так, на Атлантическом побережье США, можно сказать, уже сформировался огромный урбанизированный район с населением 80 млн человек. Он получил название Босваш (слившиеся агломерации Бостона, Нью-Йорка, Филадельфии, Балтимора, Вашингтона и других городов). К 2000г. в Америке будет еще два гигантских урбанизированных района – Чините в районе Великих озер (группа городов, возглавляемых Чикаго и Питсбургом) с населением 40 млн человек и Сан-Сан в Калифорнии (Сан-Франциско, Окленд, Лос-Анджелес, Сан-Диего) с населением 20 млн человек. В Японии группа городов-миллионеров – Токио, Иокогама, Киото, Нагоя, Осака – образовала один из крупнейших в мире мегаполисов – Токайдо, в котором живет 60 млн человек – половина населения страны. Огромные многолюдные агломерации сложились в ФРГ (Рурская), Англии (Лондонская и Бирмингемская), Нидерландах (Рандстад Холланд) и других странах.
О появлении городских агломераций можно говорить как о качественно новом этапе во взаимоотношениях города и природы. Процессы взаимодействия современной городской агломерации с окружающей природной средой сложны, многогранны, и управлять ими чрезвычайно трудно.
Городские агломерации, урбанизированные районы – это весьма обширные территории, на которых природа глубоко изменена хозяйственной деятельностью. Причем коренные преобразования природы происходят не только в черте города, но и далеко за его пределами. Так, например, физико-геологические изменения почв, подземных вод проявляются в зависимости от конкретных условий на глубине до 800 м и в радиусе 25–30 км. Это загрязнения, уплотнения и нарушения структуры почв и грунтов, образование воронок и пр. На еще больших расстояниях ощутимы биогеохимические изменения среды: обеднение растительного и животного мира, деградация лесов, закисление почв. Прежде всего от этого страдают люди, живущие в зоне влияния города или агломерации. Они дышат отравленным воздухом, пьют загрязненную воду, едят «нашпигованные» химическими веществами продукты.
Специалисты считают, что в ближайшем десятилетии число городов-миллионеров на Земле приблизится, по-видимому, к 300. Примерно половина из них будет насчитывать не менее 3 млн человек каждый. Традиционных «рекордсменов» – Нью-Йорк, Токио, Лондон – потеснят крупнейшие города в развивающихся странах. Это будут воистину невиданные еще города-монстры. Численность населения наиболее крупных из них к этому времени составит: Мехико – 26,3 млн, Сан-Пауло – 24 млн, Токио – 17,1, Калькутты – 16,6 млн, Бомбея– 16, Нью-Йорка– 15,5, Шанхая– 13,8, Сеула – 13,5, Дели и Рио-де-Жанейро – по 13,3, Буэнос-Айреса и Каира – по 13,2 млн человек. Москва, Санкт-Петербург, Киев, Ташкент тоже входят или очень скоро войдут в разряд многомиллионных.
Целесообразно ли повторять ошибки западной урбанистики и сознательно идти по пути создания мегаполисов там, где этого пока еще без особого труда можно избежать? При быстром росте городов столь же быстро обостряются экологические проблемы. Оздоровление городской среды – одна из самых острых социальных задач. Первые действия при ее решении – создание прогрессивных малоотходных технологий, бесшумного и экологически чистого транспорта. Экологические проблемы городов тесно связаны с проблемами градостроительства. Планировка города, размещение крупных промышленных предприятий и иных комплексов с учетом их роста и развития, выбор транспортной системы – все это требует квалифицированной экологической экспертизы.
Один из крупнейших городов мира – Москва. Наблюдения показывают, что состояние окружающей среды в Москве ухудшается, повышается экологический и геологический риск проживания людей. Это присуще не только Москве, такое происходит и в большинстве других крупных городов мира. Структура города-гиганта чрезвычайно сложна и разнообразна. На территории Москвы расположено более 2800 промышленных объектов, в том числе немало предприятий повышенного экологического риска, более 40 тыс. крупных жилых домов, работают 12 ТЭЦ, 4 ГРЭС, 53 районные и квартальные тепловые станции, 2 тыс. местных котельных. Действует разветвленная сеть городского транспорта: протяженность автобусных, троллейбусных, трамвайных линий составляет 3800 км, линий метрополитена – 240 км. Под городом – густое переплетение магистралей водо-, тепло-, электроснабжения, канализации, газопроводов, радио- и телефонных кабелей.
Такая гиперконцентрация сооружений и городских служб неизбежно ведет к нарушениям устойчивости геологической среды. Меняется плотность, структура грунта, происходит неравномерное оседание отдельных участков поверхности земли, образуются глубокие провалы, оползни, подтопления. А это в свою очередь вызывает преждевременное разрушение зданий и подземных коммуникаций. Создаются чрезвычайные, нередко опасные для жизни людей ситуации. Городскому хозяйству наносится огромный ущерб.
Установлено, что почти половина территории Москвы (48%) находится в зоне геологического риска. Через полтора-два десятка лет, по прогнозным оценкам, к этому добавится еще около 12% территории города. В тяжелом состоянии находится и воздушный бассейн Москвы В нем, помимо отдельных химических элементов, перемешано еще 1200 самых различных соединений. Уже в атмосфере они вступают в реакцию, образуются новые соединения. За год в воздух столицы выбрасывается от 1 до 1,2 млн т вредных химических веществ. Малая их часть уносится ветрами за город, основная же остается в Москве, и ежегодно на каждого москвича приходится 100–150 кг загрязняющих воздух веществ.
Начало 90-х годов ознаменовано сокращением выбросов вредных веществ с городских предприятий. Значительную часть печей-вагранок закрыли, а другие печи оборудовали устройствами, не допускающими вредных выбросов в воздух. Принимаются и другие меры для оздоровления городской среды.
4. Решение проблем утилизации
Утилизация экологически опасных газов
В последнее время многие люди все более осознает себя населением одной коммунальной квартиры с общей легкоранимой атмосферой. Если и впредь выбрасывать в нее окиси азота и серы, окись и двуокись углерода, то можно ожидать самых печальных последствий. Известно, что увеличение углекислоты в атмосфере создает парниковый эффект с угрозой таяния ледников. И если общее количество льда уменьшится только на 10%, то уровень мирового океана поднимется на 5,5 м. Очевидно, что огромные прибрежные площади будут затоплены,
В атмосфере Земли сейчас содержится около 2,3 млрд т двуокиси углерода, и миллиарды тонн прибавляют к этому количеству промышленность и транспорт. Часть этого количества поглощается растительностью Земли, часть растворяется в океане. Ученые многих стран мира работают над тем, как избавиться от лишнего углекислого газа. Например, ученые США предлагали переводить углекислый газ в сухой лед или жидкость, а затем выводить его ракетами за пределы атмосферы. Однако расчеты показывают, что для вывода на орбиту углекислого газа необходимо сжечь столько топлива, что количество того же газа, выброшенного при сгорании топлива превосходит количество отправленного в космос газа.
Швейцарские специалисты предлагают переводить выбросы промышленных «кочегарок» в сухой лед, но не выбрасывать его за пределы Земли, а складывать где-нибудь на севере в хранилища, изолированные пенопластом. Сухой лед будет медленно испаряться, что позволит хотя бы отсрочить развитие парникового эффекта. Однако для хранения лишь половины углекислого газа, выбрасываемого ежегодно только Германией, пришлось бы сделать из сухого льда десять шаров диаметром по 400 м. Другие ученые надеются как-то усилить естественные процессы, ведущие к поглощению двуокиси углерода из атмосферы. Например, расширить на планете площади, занятые лесом. Однако для поглощения выбросов только угольных ТЭЦ Германии придется засадить лесом 36 тыс. км2. Против идеи американских океанологов рассеивать в антарктической воде порошок железа для стимуляции размножения планктонных водорослей, которые могли бы поглощать больше двуокиси углерода, возражают экологи. К тому же опыты, проведенные в малом масштабе, показали невысокую эффективность данного способа. Японцы предлагают вывести с помощью генной инженерии особо активные породы водорослей, которые активно поглощали бы углекислый газ, превращая его в биомассу. Однако моря при этом могут превратятся в «кисель» из размножившихся водорослей.
Более практичной выглядит идея сотрудников нефтяной фирмы «Шелл»: закачивать углекислый газ, переведя его сначала в жидкую фазу, в выработанные нефтяные и газоносные пласты. Вдобавок жидкая углекислота вытеснит на поверхность недобранные остатки нефти и природного газа. Правда, стоимость электроэнергии от ТЭЦ, снабженной необходимым для этого оборудованием, вырастет на 40%, а прибыль от дополнительно добытых горючих ископаемых снизит эту цену всего на 2%. Да в мире и нет пока достаточно обширных для такого хранения выработанных месторождений газа. Свободное место в Тюмени или Голландии появится лишь через несколько десятков лет.
Пока наиболее многообещающей кажется идея отправлять двуокись углерода на дно морей и океанов. Можно, например, топить в открытом море блоки сухого льда (он тяжелее воды). При перевозке в море не дальше 200 км от берега стоимость электроэнергии повысится на те же 40%. Если же закачивать на глубину около 3000 м жидкую углекислоту, цена электроэнергии возрастет меньше – на 35%. Кроме того, есть и опасность таких мер. Ведь газ покроет удушающим слоем сотни квадратных километров океанского дна, уничтожив там все живое. И не исключено, что под воздействием глубинных течений он в конце концов вырвется из морских глубин, как из откупоренной бутылки шампанского. В 1986 г. такой случай наблюдался в Камеруне: из глубин озера Ниос вырвалось около миллиарда кубометров углекислого газа, накопившегося на дне в результате вулканических процессов. В окружающей озеро долине погибли сотни местных жителей и их скот. Кажется, у человечества нет другого выхода, кроме ограничения сжигаемого ископаемого топлива.
Вместе с углекислым газом в атмосферу выбрасываются гораздо более опасные газы – окислы серы. Известно, что окислы серы образуются при сгорании топлива – угля или нефтепродуктов, содержащих серу. При их сжигании образуются сернистые газы, загрязняющие атмосферу. При очистке дым пропускается через громоздкие и дорогостоящие очистные устройства. Специалисты Японии предложили более эффективный способ – микробиологический способ очистки угля от серы.
В последние десятилетия, как никогда, люди стали обращать внимание на окружающую среду. Заговорили о ней в тревожных тонах, потому что в атмосфере, почве, во всем, что произрастает и обитает на ней и в ней, а также в водной среде (реках, озерах и морях), – везде все заметнее и резче стали проявляться прежде не наблюдаемые отклонения. Все чаще стали говорить о том, что окружающая среда оказалась на грани катастрофы и ее надо срочно спасать.
Хорошо оснащенный различной техникой и другими средствами человек непосредственно воздействует на природу: в невиданных ранее количествах добывает и использует, перерабатывает земные богатства. С каждым годом все ощутимее вмешивается в естественно сложившуюся тысячелетиями природную среду. При этом природа неузнаваемо изменяется. Такой процесс уже распространился почти на весь земной шар.
Во многих промышленно развитых странах уже всерьез на практике широко принимают меры против загрязнения окружающей среды и добиваются отличных результатов. Рассмотрим более подробно, как решаются экологические проблемы, например, в Рейнско-Вестфальском промышленном районе Германии. Не так давно этот район считался одним из самых неблагополучных в экологическом отношении не только во всей Западной Европе, но и в мире. Действительно, здесь, севернее и западнее Рейнских сланцевых гор, в последнее столетие чрезвычайно бурно развивались промышленность, транспорт, быстро росли города и рабочие поселки. Столь обильно застроенных и так густо населенных мест, наверное, нет даже в самых многолюдных районах Японии и Китая. Уровень жизни в Германии весьма высок уже не одно десятилетие. Поэтому очень многие имеют свои дома и почти у каждого дома – небольшой участок под садом, огородом и цветником, хозяйственные постройки, гаражи и автомашины. Можно представить, сколько бытового и разного другого мусора здесь изо дня в день, из года в год выбрасывали на свалки, а потом сжигали прямо в поле. А сколько здесь было захлебывающихся дымом труб – заводских, фабричных, домовых! Какая пелена смога висела над городами, какой туман постоянно окутывал все! Каким фиолетово-масляным блеском отливало солнце в водах Рура, Рейна и других, казалось, безнадежно больных здешних рек! Они уже были своего рода символами загрязнения природы человеком.
«Три десятка лет назад небо тут у нас было больше похоже на лохматое грязное одеяло, чем на лазурь», – говорит один из специалистов по переработке отходов. Что же представляет собой их предприятие по переработке отходов? Голубовато-серо-синие здания, две белые высокие тонкие трубы – все выглядит удивительно легким и нарядным. И земля, и небо над ней, и вообще все вокруг здесь действительно изменилось до неузнаваемости. Даже асфальт и бетон на подъездных путях кажутся голубыми. Кругом зеленые газоны, молодые деревца. Это предприятие – Центр вторичной добычи сырья в Хертене – занимает гораздо меньшую площадь, чем обычная горящая свалка. Оно построено на пустыре, в его цехах уже много сделано для того, чтобы преобразовать, озеленить, украсить окрестности.
В Германии в среднем на одного жителя за год накапливается до 400 кг только бытовых отходов. Еще большую долю из того, что приходится сжигать, составляют отходы производств – промышленных, промысловых, ремесленных и прочих, а также торговли, сфер питания и услуг, транспорта лечебных учреждений. В немалом количестве образуется и так называемый городской мусор. Все это вместе в расчете на одного человека в Германии за год составляет до 4,5–4,6 т.
В мусорном «крематории» непросто сжигают самые разные отходы. Здесь же налажено и производство вторичных продуктов. Ведь предприятие так и называется: Центр вторичной добычи сырья в Хертене. Зола, образующаяся из сожженных пластмассовых пакетов и разной тары подобного рода, снова идет на их изготовление. В огромных «мешках» собираются «остаточные инертные продукты». За сутки их набирают до 10 т и сразу же увозят на «гору», где используют в качестве грунта для зеленых насаждении. Например, в Гельзенкирхене из них уже более четверти века складывают «гору». Она занимает около 100 га. В прошлом унылый обширный пустырь превращается в культурный парк, в «зеленую зону». Постепенно, день за днем, формируется, «выкладывается» почвенная и подпочвенная среда «торы», развивается на ней зеленый мир. Разрабатываются новые технологические проекты переработки отходов вторичной добычи сырья.
Неизбежно предстоит строить предприятия вторичной добычи сырья и под Москвой, и под Санкт-Петербургом, и вблизи других городов. К тому же подобные предприятия дают немало электрической энергии.
Захоронение ядерных отходов
Жизнь современного общества немыслима без мощных источников энергии. Их немного – гидро-, тепловые и атомные электростанции. Использование энергии ветра, Солнца, приливов и т.п. пока не получило широкого распространения. Тепловые станции выбрасывают в воздух громадное количество пыли и газов. В них содержатся и радионуклиды, и сера, которая потом возвращается на землю в виде кислотных осадков. Гидроресурсы даже в нашей огромной стране ограничены, и к тому же строительство гидростанций в большинстве случаев приводит к нежелательному изменению ландшафта и климата. В ближайшее время одним из основных источников энергии будут атомные электростанции. Они отличаются многими достоинствами, в том числе и экологическими, а применение надежной защиты может сделать их достаточно безопасными. Но остается еще один важный вопрос: что делать с радиоактивными отходами? Все радиоактивные отходы АЭС, скопившиеся за все время их работы, хранятся в основном на территории станций. В целом действующая на АЭС схема обращения с отходами пока обеспечивает полную безопасность, не оказывает влияния на окружающую среду и соответствует требованиям МАГАТЭ. Однако хранилища уже переполняются, требуются их расширение и реконструкция. Кроме того, приходит пора демонтировать станции, отслужившие свой срок. Расчетное время эксплуатации отечественных реакторов – 30 лет. С 2000 г. реакторы будут останавливаться практически ежегодно. И пока не будет найден простой и дешевый способ захоронения радиоактивных отходов, говорить о серьезных перспективах атомной энергетики преждевременно.
В настоящее время радиоактивные отходы содержатся в специальных хранилищах, где размещаются стальные контейнеры, в которых отходы сплавлены вместе со стекло-минеральной матрицей. Захоронение их пока не производится, но проекты захоронения активно разрабатываются. Иногда обсуждается вопрос: а нужно ли вообще захоранивать отходы, может быть, следует так и хранить их далее – ведь не исключено, что какой-нибудь изотоп понадобится технологии будущего? Дело, однако, в том, что количество отходов постоянно растет, накапливается, так что и в будущем этот источник полезных элементов вряд ли иссякнет. При необходимости просто будет изменена технология переработки. Проблема в другом. Приповерхностные хранилища гарантируют безопасность только в течение примерно ста лет, а отходы станут малоактивны лишь через несколько миллионов лет.
Еще один вопрос. Можно ли использовать тепловую энергию, которую выделяют ядерные отходы, например для отопления? Можно, но нерационально. С одной стороны, тепловыделение отходов не так уж велико, намного меньше выделяемого в реакторе тепла. С другой стороны, использование отходов для отопления потребовало бы очень дорогого обеспечения радиационной безопасности. В тепловой энергетике ситуация аналогична: есть много способов полнее использовать тепло, уходящее в дымовую трубу, но с какого-то уровня это невыгодно. Поэтому от ядерных отходов надо избавляться.
Обсуждается известная идея переработать долгоживущие радиоактивные изотопы в ядра с меньшим временем жизни с помощью ядерных реакций, протекающих в самих реакторах, при эксплуатации их в особом режиме. Казалось бы, чего проще, и никакого дополнительного оборудования не нужно. К сожалению, различие скоростей наработки новых и переработки уже образовавшихся долгоживущих изотопов невелико, и, как показывают расчеты, положительный баланс наступит лишь примерно через 500 лет. До этого времени человечество «утонет» в горах радиоактивных отходов. Другими словами, сами себя реакторы излечить от радиоактивности вряд ли смогут.
Радиоактивные шлаки можно изолировать в специальных толстостенных могильниках. Беда только в том, что такие захоронения должны быть рассчитаны по крайней мере на сотню тысяч лет безопасного хранения. А как предугадать, что может случиться за такой огромный период? Как бы там ни было, хранилища отработанного ядерного топлива должны располагаться в таких местах, где заведомо исключаются землетрясения, смещения или разломы грунтовых пластов и т. п. Кроме того, поскольку радиоактивный распад сопровождается разогревом распадающегося вещества, спрятанные в могильнике шлаки нужно еще и охлаждать. При неправильном режиме хранения может произойти перегрев и даже взрыв горячих шлаков.
В некоторых странах хранилища особо опасных в шлаков долгоживущих изотопов располагаются под землей на глубине в несколько сотен метров, в окружении скальных пород. Контейнеры со шлаками снабжают толстыми антикоррозийными оболочками, многометровыми слоями глины, препятствующей просачиванию грунтовых вод. Одно из таких хранилищ строится в Швеции на полукилометровой глубине. Это сложное инженерное сооружение снабжается разнообразной контрольной аппаратурой. Специалисты уверены в надежности данного сверхглубокого радиоактивного могильника. Такую уверенность вселяет обнаруженное в Канаде на глубине 430 м природное рудное образование объемом свыше миллиона кубометров с огромным, содержанием урана – до 55% (обычные руды содержат проценты или даже доли процента этого элемента). Это уникальное образование, возникшее в результате осадочных процессов примерно 1,3 млн лет назад, окружено слоем глины толщиной в разных местах от 5 до 30 м, который действительно накрепко изолировал уран и продукты его распада. На поверхности над рудным образованием и в его окрестностях не обнаружено следов ни повышения радиоактивности, ни увеличения температуры. Однако как будет в других местах и при других условиях?
Кое-где радиоактивные шлаки остекловывают, превращая в прочные монолитные блоки. Хранилища снабжаются специальными системами контроля и отвода тепла. В подтверждение надежности данного способа можно опять сослаться на естественный феномен. В Экваториальной Африке, в Габоне, около 2 млн лет назад случилось так, что вода и урановая руда собрались в созданной самой природой каменной чаше внутри скальных пород и в такой пропорции, что получился естественный, «без всякого участия человека», атомный реактор, и там в течение некоторого времени, пока не выгорел скопившийся уран, шла цепная реакция деления. Образовывался плутоний и те же радиоактивные осколки, как и в наших искусственно созданных атомных котлах. Изотопный анализ воды, почвы и окружающих горных пород показал, что радиоактивность осталась замурованной и за 2 млн прошедших с тех пор лет ее диффузия была незначительной. Это позволяет надеяться, что остеклованные источники радиоактивности в ближайшую сотню тысяч лет тоже останутся наглухо изолированными.
Иногда шлаки замуровывают в глыбы особо прочного бетона, которые сбрасываются в океанские глубины, хотя это далеко не лучший подарок нашим потомкам. В последнее время всерьез обсуждается возможность забрасывать контейнеры с долгоживущими изотопами с помощью ракет на невидимую обратную сторону Луны. Вот только как обеспечить стопроцентную гарантию того, что все запуски будут успешными, ни одна из ракет-носителей не взорвется в земной атмосфере и не засыплет ее смертоносным пеплом? Риск очень велик. Да и вообще мы не знаем, для чего понадобится обратная сторона Луны нашим потомкам.
А радиоактивных шлаков на АЭС образуется немало. Например, в Швеции, энергетика которой на 50% атомная, к 2010г. накопится примерно 200 тыс. м3 требующих захоронения радиоактивных отходов, из них 15% из которых содержат долгоживущие изотопы – остатки концентрированного ядерного горючего, требующие особо надежного захоронения. Этот объем сопоставим с объемом концертного зала и только лишь для одной маленькой Швеции!
Многие специалисты приходят к выводу: наиболее рациональное место захоронения – недра Земли. Для гарантии радиационной глубина захоронения должна быть минимум полкилометра. Для большей безопасности лучше располагать отходы еще глубже, но, увы, стоимость горных работ растет быстрее, чем квадрат глубины. Относительно недавно была высказана идея захоронения высокоактивных ядерных отходов в глубоких скважинах, заполненных легкоплавкой, инертной, водонепроницаемой средой. Наиболее удачным заполнением скважин может оказаться природная сера. Герметичные капсулы с высокоактивными отходами погружаются до дна скважины, расплавляя серу собственным тепловыделением. Предлагаются и другие способы захоронения радиоактивных отходов.
5. Перспективные материалы, технологии и окружающая среда
Обновление технической базы различных энергосистем и промышленных предприятий требует внедрения перспективных материалов и новейших технологий, которые прямо или косвенно способствуют сохранению окружающей среды. В настоящее время во всем мире признаны перспективными керамические, композиционные, тонкопленочные и другие материалы, производство которых основано на современных технологиях.
Керамические материалы обладают чрезвычайно высокой твердостью и теплостойкостью. Используются они при изготовлении высокотвердых и термостойких деталей двигателей, инструментов, различного рода машин и т. п. Исследования на молекулярном уровне позволили установить, что небольшие структурные дефекты существенно влияют на прочность керамических изделий. Разработанные новые технологии, основанные на управлении кинетикой реакций и формировании заданных молекулярных свойств, позволяют получить керамический материал с заданной структурой. Например, высокую степень однородности материала обеспечивает управляемый гидролиз металлоорганических соединений. При выжигании полимерного скелета в металлоорганическом полимере, скрученном в нить, образуется высокотермостойкий материал, подобный карбиду кремния. С помощью высокотемпературных реакций летучих соединений с последующим осаждением конечных продуктов на подложку заданной формы формируется однородное термостойкое покрытие. Такая технология применяется, например, при изготовлении деталей реактивного двигателя. Небольшое добавление примесей может вызвать значительное изменение свойств материала. Например, при небольшой добавке оксида циркония существенно повышается прочность керамического материала с оксидом алюминия.
Синтез сверхпрочных волокон на основе графита, внедренного в органический полимер, привел к разработке нового вида материалов – композиционных материалов с улучшенными свойствами. Технология изготовления такого материала основана на внедрении тонкого волокна, состоящего, например, из графитовых углеродных цепей, минеральных или углеводородных полимерных нитей, в обычный высокомолекулярный полимер, например эпоксидную смолу. Полученный таким образом композиционный материал по прочности не уступает лучшим маркам конструкционной стали. Благодаря сравнительно большому отношению прочность/масса такие материалы находят широкое применение для изготовления деталей и узлов авиационной и космической техники, автомобилей, судов и т. п.
В последние десятилетия уделяется большое внимание разработке новых тонкопленочных материалов. Тонкопленочные защитные, упрочняющие, полупрозрачные, диэлектрические, магнитные и т. п. покрытия, тонкопленочные элементы интегральных схем современной микро- и наноэлектроники – все это примеры применения тонкопленочных материалов. В зависимости от выполняемой функции толщина слоя осаждаемого материала может колебаться в широких пределах – от нескольких ангстрем до нескольких десятков микрометров. К настоящему времени уже налажена технология формирования микроэлектронного элемента с минимальным размером до нескольких десятых долей микрометра. Для формирования тонкопленочных слоев и элементов применяются разные технологии: механическое и термическое напыление, гальваноосаждение, вакуумное ионно-плазменное осаждение и др.
Наряду с перспективной микроэлектронной технологией в настоящее время интенсивно развивается биотехнология, основанная на видоизменении структуры молекулы ДНК. В микроэлектронной технологии уменьшить элементы интегральных схем до нанометровых размеров – это только пол дела. Нужно еще соединять их между собой и с микроэлектродами. В осуществлении такой операции могут помочь нуклеиновые кислоты, поскольку в них четко проявляется молекулярная самосборка. В лаборатории уже удалось нитями ДНК связать наночастицы из золота в трехмерную решетку. Кроме того, из отрезка ДНК построили мостик, связывающий два электрода, а затем его использовали как матрицу, на которую из раствора осаждали серебро, так что получился проводящий металлический провод диаметром 100 нм, что значительно меньше размера широко применяемых сейчас в микроэлектронике электропроводящих полос. Приведенный пример показывает, как могут удачно сочетаться совершенно разные биотехнология и зарождающаяся наноэлекронная технология.
Более двадцати лет назад в калифорнийском Стенфордском университете двум ученым впервые удалось заменить у бактерии ее наследственный материал на чужеродный, взятый у бактерии-донора. Такой метод перестройки живого организма назвали генной инженерией. Он лежит в основе современных генных технологий. По разным направлениям распространялся стенфордский опыт. Обратили на него внимание и в пищевой промышленности. Молочное, сыроваренное производства, выпечка хлеба, изготовление колбас, пивоварение и многое другое основано на жизнедеятельности микроорганизмов. Крупные пищевые концерны издавна имели лаборатории, где вели отбор, селекцию наиболее действенных производительных штаммов бактерий, придающих желательный вкус продукту. Лучшие разновидности невидимых тружеников фирма-хозяин строго засекречивала.
Производительные бактерии использовались для того, чтобы получать самоконсервирующееся молоко, быстрые в приготовлении сыры, хороший хлеб, глюкозу, сиропы и многое другое. Ферменты были так усовершенствованы генной инженерией, что перевернули технологию производства многих продуктов. Так в 1991 г. фирма, изготавливающая бульонные кубики, отказалась от старого способа их получения с участием соляной кислоты. В новой, более безопасной, технологии действуют высокоактивные ферменты. В США стали получать сахар из кукурузы и пшеницы. Особый микроб превращает это сырье в сироп, который затем поступает на рафинадный завод. Сироп обходится на треть дешевле, нежели из тростника, который поставляли в США Филиппины.
Сейчас в мире действуют более 3 тыс. лабораторий, работающих с генами. Биотехнологические фирмы рассчитывают в ближайшее время в 16 раз увеличить свои обороты. Генная технология вторгается в наследственный материал растений и животных прежде всего сельскохозяйственных. Например, картофель претерпел несколько полезных превращений. Получены клубни, не боящиеся падений, ударов – важное качество при транспортировке и хранении. Другой сорт – для стола, содержит мало крахмала, но много высокоценных протеинов. Третий сорт дает много крахмала.
С применением генетических операций, выведен два сорта помидоров. Один из них не подвержен быстрому загниванию, а другой – содержит сравнительно мало воды. С помощью генных технологий получены не подверженные заболеваниям растение какао, стойкая к заморозкам клубника, кофейные зерна без кофеина. Благодаря вмешательству человека в их наследственность улучшены качества десятков сельскохозяйственных культур. Достигнуты первые успехи и в животноводстве. Корректировка наследственности, например у свиньи, позволила вывести новую породу животных, лишенных такого недостатка, как излишняя жирность: свинина становится диетическим мясом. Другое новшество: корова дает молоко, не скисающее в тот же или на следующий день, как обычно, потому что это молоко уже включает в себя консервирующие вещества, вырабатываемые самим организмом животного.
Лаборатории, занимающиеся разработкой генных технологий, воодушевлены первыми удачами. Ученые уверены, что в недалеком времени они смогут передать сельскому хозяйству такое разнообразие растений и животных, улучшенных их методами, что можно будет удовлетворить все человечество продуктами питания. При этом речь идет не только о количестве, но и о качестве. Уже сегодняшние успехи генных технологий убеждают, что люди в XXI в. не столкнутся с голодом.
Примерно треть выращенного урожая обычно гибнет от вредителей полей, огородов и садов. Человек давно ищет средства борьбы с сельскохозяйственными вредителями. После Второй мировой войны появился дуст (ДДТ) и казалось, что победа над ними одержана. Однако этот легкий порошок вовсе не безвреден для человека. Начались новые поиски. Очень перспективным оказался биологический метод борьбы с сельскохозяйственными вредителями, в частности, использование насекомых – трихограмм, которые откладывают свои яйца в яйца вредителей и тем губят их. Сейчас в 93 странах работают с этими насекомыми, стараясь приспособить их к различным условиям – климату и виду вредителей. Есть попытки применять трихограммы против плодожорок и листоверток. Однако применять их возможно лишь в крупных хозяйствах, поскольку растения надо обрабатывать сверху, рассыпая с самолета выведенных в лаборатории насекомых.
Другой, менее распространенный способ биологической борьбы – применение бактериальных токсинов. Но и здесь есть свои сложности. Насекомые-вредители обладают способностью вырабатывать устойчивость к пестицидам. Ученым каждый раз приходится варьировать бактериальный токсин, получая его от разных штаммов бактерий. Последняя надежда – ввести токсин в наследственный материал защищаемого растения, т. е. на помощь приходят генные технологии. Пока что в лаборатории удалось внедрить ген, управляющий синтезом яда, в хлопчатник. Уже выращены первые кусты, сумевшие противостоять вредителям. Через некоторое время специалисты рассчитывают внедрить новый хлопчатник на производственных площадях. Хлопок – культура важная, но не продовольственная. А как будет вести себя токсин в картофеле или яблоке? Современные средства защиты растений могут действовать на вредных насекомых, например тлей, и при этом не травить полезных, таких, как златоглазка.
Изучение свойств вещества на молекулярном уровне дает свои плоды. Химические предприятия сегодня, по крайней мере те, что создаются на основе новых технологий, не отравляют, как раньше, атмосферу своими выбросами и не заваливают землю ядовитыми отходами. Их современная продукция не содержит вредных для природы и человека компонентов. Вот несколько примеров. Известно, что долгое время основой моющих средств были соединения фосфора, которые после того, как они отработают, попадали со стоком воды в водоемы, фосфор стимулировал бурный рост водорослей, которые выбирали из воды весь кислород, и вода становилась мертвой. Новые моющие вещества делаются уже не на фосфорной основе, а потому их сбросы не несут смертельной опасности водоемам.
Другой пример. Для окружающей среды опасны хлорорганические соединения, которые широко используются в производстве целлюлозы. Но вот недавно германский популярный еженедельник «Штерн» напечатал весь свой тираж на бумаге шведской фирмы, производство которой обошлось без хлора. Тонны бумаги, потребовавшейся для тиража, – это первый шаг к облегчению нагрузки на природу, который уже сделан гигантской целлюлозно-бумажной промышленностью – главным в мире потребителем хлора.
Наконец, третий пример нового подхода так называемой, «мягкой» химии к важнейшему своему продукту – инсектицидам. Химики Японии, Англии, США, следуя законам живой природы, синтезировали аналог действующего натурального вещества, входящего в состав давно известного людям пиретрума, выделяемого из далматской ромашки. А потому группу синтезированных соединений назвали пиретроидами. Уже применяют несколько препаратов, изготовленных на этой основе. Ими были обработаны поля картофеля и томатов. Итоговые анализы показали, что в плодах обработанных культур не содержится сколько-нибудь заметных остатков испытываемых препаратов, которые могли бы представлять какую-либо опасность для человека.
Обширный фактический материал, взятый из практики и научных разработок, говорит о том, что ростки нового обещают человечеству безбоязненное вступление в наступающий век. Новейшие технологии получает простор для своих действий, направленных на решение одной из важнейших задач – сохранения среды нашего обитания.
Список литературы
1. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: Академический Проект, 2000.