Одна из важнейших задач человечества связана с проблемой его выживания, т.е. сосуществования человека и природы в настоящем и будущем. Эта задача усложняется отсутствием общепринятых системных представлений о сути этой проблемы. Такая неясность объясняется, прежде всего, неопределённостью – что же представляет собой «экология» как наука и каковы ее теоретические принципы.

К сожалению, большинство работ по этой весьма актуальной проблеме перегружено общими фразами и лозунгами, что вызывает некоторое негативное отношение к термину «экология» особенно при некорректном его использовании. Вместе с тем анализ современного состояния окружающей среды, проведенный рядом передовых учёных, подтверждает необходимость создания системных представлений для решения важнейших природоохранных проблем.

Такая, вроде бы очевидная ситуация осложнилась тем, что к созданию экологического направления подключаются специалисты отдельных дисциплин и, в меньшей степени, специалисты с междисциплинарными знаниями. Поэтому, в зависимости от авторства того или иного труда по экологии, происходит явный перекос объективной информации то в одну, то в другую сторону.
Странно слышать, когда из средств массовой информации звучит объяснение, что на здоровье человека влияет «плохая экология». Появились плохо понимаемые определения: «экология человека», «видеоэкология», «социальная экология», «экологически чистый продукт» и т.д. и т.п.

Вряд ли можно отрицать, что человечество избрало для себя технологический путь развития. Причины такого выбора объясняются тем, что «всякая технология, в сущности, просто продолжает естественное стремление всего живого господствовать над окружающей средой или, по крайней мере, не подчиняться ей в борьбе за существование». Обобщая понятие «технология», автор процитированных строк Станислав Лем, имел в виду, что под технологией понимается «способы достижения целей, поставленных обществом, обусловленные состоянием знаний и общественной эффективностью». Однако, через тысячелетия после возникновения человеческой цивилизации этот, казалось бы, наиболее эффективный способ столкнулся с серьёзными и принципиальными противоречиями. Стремясь к достижению своих целей, человек вошёл в противоречие с природной средой и в поисках выхода из этих противоречий, обладая несравненно большими, чем все другие представители биоты возможностями, всё в большей степени деформирует природу. Интенсивность антропогенного воздействия на природную среду определяется энергетической и информационной мощностью технологий, которыми овладела цивилизация. Возрастание используемых мощностей, особенно в последние десятилетия, привело к существенным изменениям в природной среде, вследствие чего происходит увеличение внимания к проблеме стабилизации в системе природа – человек. Эту проблему и призвана решать наука, называемая экологией.

Однако, экология, отталкиваясь от принципа равновесия между природой и человеком – гомеостаза, идет дальше. Ее основополагающая идея не сводится к достижению равновесия в любой момент времени и в любых условиях. Напротив, человеческая цивилизация, возникнув в определённых природных условиях, требует для своего дальнейшего благополучного существования и развития – максимально возможного сохранения первоначальных природных условий.

Решение этой непростой, глобальной задачи требует создания промышленных и сельскохозяйственных технологий, позволяющих при снижении объёма использования естественных природных ресурсов сохранить уровень обеспечения человечества всем необходимым для жизни и развития.
Действительно, сокращение использования природных ресурсов, прежде всего – биологических, потребует ещё большего внимания к созданию качественно новых, безотходных технологий, позволяющих в определённом смысле включить человеческую деятельность в круговорот веществ, характерный для биотической деятельности.
Напомним, что энергия ископаемого топлива (уголь, газ, нефть и т.п.) есть не что иное, как солнечная энергия, запасенная в органических отходах биоты, которые образовались в исторические периоды, когда биологические циклы были существенно не замкнуты.

Поскольку в настоящее время биологические циклы в основном замкнуты, органическое топливо практически не образуется, а потому объёмы этого невозобновляемого источника энергии сокращаются со скоростью, пропорциональной его расходованию. В результате должны произойти соответствующие изменения, как в природной среде, так и в деятельности человека.
К характеристике природной среды относятся – солнечная энергия (озоновый слой и парниковый эффект), климат (нестабильность сезонных изменений), воздушная среда (загрязнение воздуха летучими токсикантами), водная среда (загрязнение водных объектов неочищенными стоками), геолого-почвенный (уничтожение плодородного слоя) и геохимический (изымание рудных запасов) слой земли.
К характеристике деятельности человека относятся энергопроизводство и энергопотребление (теплопотери при низком КПД), ископаемые источники (невозобновляемые энергоносители), гидроресурсы (изменение биоценоза), ядерная энергия (нерешаемая проблема с отходами), электромагнитное «засорение», потребление продуктов биоты (потери лесного массива, сокращение биоразнообразия).
Рассмотрим некоторые аспекты в попытках человека исправить накопленный экологический ущерб природе.

Вода, а точнее водные растворы, занимают регулирующее место в системе жизнеобеспечения, а потому участвуют в обмене веществ между биотическими и небиотическими объектами. Не секрет, что всё живое на Земле существует в водной среде, т.е. или непосредственно в воде или сохраняя её под верхним покровом. Нарушив этот верхний покров у любого биологического объекта, мы сталкиваемся с обилием водотоков, по которым текут разнообразные истинные или коллоидные растворы. Сравнение состава плазмы крови с составом морской воды показывает, что в этих жидкостях основными растворёнными компонентами являются ионы натрия и хлора, а также бикарбонат-анион и ион калия, кальций, магний, сульфаты, фосфаты. Заполняя на 60-80% ткани и органы, вода выполняет в организме разнообразные жизнеобеспечивающие функции в качестве среды, в которой протекают все физико-химические процессы. Естественно, что эффективность и полнота выполнения всех физиологических процессов организма зависит в значительной степени от качества воды, поступающей в организм. Качество воды определяется двумя взаимосвязанными показателями: её структурой и составом, т.е. набором и концентрацией содержащихся в ней веществ.

Нормативные показатели качества питьевой воды определены в «Санитарных правилах и нормах» (СанПин), где установлены критерии безопасности для потребления человеком. Аналогичный подход к оценке качества питьевой воды принят в «Руководстве по критерию качества питьевой воды», разработанном Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ).
В этой связи в России разработаны категории водопользования для нужд населения. К ним относятся водные объекты хозяйственно-питьевого назначения (в том числе для предприятий пищевой промышленности) и водные объекты культурно-бытового использования (купание, спорт, отдых). Главным государственным санитарным врачом РФ утверждены предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде указанных водных объектов.

Таким образом, особенно к источникам питьевого водоснабжения – поверхностным и подземным – необходимо выполнять соответствующие требования, которые должны контролироваться природоохранными органами, а это главным образом – Минприроды и Роспотребнадзор. Качество водных объектов напрямую связано с антропогенной деятельностью человека: некачественно очищенные газовые выбросы промышленных предприятий – посредством осадков, недостаточно очищенные и неочищенные вовсе сточные воды попадают в поверхностные водные объекты и на грунт. Особую опасность для водных объектов представляют собой неочищенные стоки от сельскохозяйственных предприятий – это отходы от скотоводческих и птицеводческих ферм.

Отходы образуются не только в результате человеческой деятельности – они возникают практически в каждом звене замкнутых природных циклов. Но, что крайне важно, в природных циклах они полностью используются в последующих звеньях, играя для них роль ресурса. Человечество, таким образом, стало первым объектом биосферы, которое создало искусственные трофические цепи, не имеющие необходимых «последующих звеньев», а потому не способные образовывать, подобно природным, замкнутые циклы. Это – один из принципиальнейших моментов, который должен быть положен в основу анализа эффективности решений экологических проблем. В результате мы имеем катастрофическое загрязнение окружающей среды и как результат нарушение стабильности биосферы, ставшее наиболее заметным в последние годы.

Попробуем с этих позиций проанализировать на примере некоторых систем жизнеобеспечения практические шаги, направленные на устранение негативных последствий человеческой деятельности, дабы хоть как-то восстановить пригодные для дальнейшей жизни условия среды обитания.
Создавая систему очистки сточных вод и переработку отходов, необходимо отметить, что технология этих процессов сделала весьма прогрессивный шаг, вводя стадию биологической обработки. Такую стадию можно оценить как действующую модель природных биогеохимических циклов. Фактически человек пытается замкнуть тот природный цикл, который сам же и разорвал, проводя его с большей интенсивностью, чем это осуществляется природой.

Использование биотехнологий имеет ряд существенных преимуществ перед другими техническими решениями. Очистка бытовых сточных вод осуществляется методами биохимического окисления и восстановления загрязняющих веществ до летучих соединений с помощью групп микроорганизмов, выращенных в ёмкостях со сточной водой (называемых активным илом). Этот процесс, как правило, реализуется по непрерывной технологической схеме.
Органические соединения, загрязняющие бытовые сточные воды, состоят из углеводов (целлюлозы и крахмала); жиров, построенных из атомов углерода, кислорода и водорода; белков, нуклеиновых кислот, фосфопротеинов и липидов, молекулы которых кроме указанных атомов содержат атомы азота и фосфора. Поэтому в ходе биохимической очистки необходимо не только разложить органические соединения, но и удалить из воды избыточное количество соединений азота и фосфора.
Каждое из перечисленных соединений в определённых условиях расщепляется определёнными группами микроорганизмов.
Так, в аэробных условиях клетчатка, состоящая из целлюлозы, как и крахмал, расщепляются бактериями, грибами и актиномицетами. В результате из целлюлозы выделяется углекислый газ, вода и некоторое количество неразложившихся соединений. В отличие от миксобактерий грибы выделяют ферменты, способствующие гидролизу (расщеплению на отдельные звенья) молекул целлюлозы, что существенно облегчает их последующее разложение до простых соединений.

Разложение белков на первом этапе связано с выделением аммиака и также протекает с участием грибов, актиномицетов и бактерий. Затем аммиак подвергается воздействию специальной группы микробов, называемых нитрификаторами, превращающими его в кислородные соединения азота – нитриты и нитраты. Особенность этого процесса связана с отсутствием у нитрификаторов потребности в органических соединениях, наличие которых негативно сказывается на развитии этих микроорганизмов. Поэтому нитрификация наиболее успешно реализуется на заключительных стадиях очистки, когда концентрация органических соединений в воде существенно снизилась. В этих условиях процесс нитрификации идет в две стадии, в каждой из которых участвует своя группа микроорганизмов. На первой стадии в результате окисления аммиака кислородом в присутствии возбудителя этого процесса бактерии Nitrosomonas europea образуются соли азотистой кислоты – нитриты. В результате азот превращается из восстановленной (аммиак) в окисленную форму (нитрит). Вторая стадия нитрификации сводится к дальнейшему окислению азота с превращением нитритов в нитраты и протекает в присутствии другой группы микроорганизмов – Nitrobakter winogradskyi, названных так по имени открывателя биологической природы нитрификации российского химика С.Н.Виноградского.

Для очистки воды от соединений азота и фосфора этого недостаточно, поэтому необходимо осуществить их дальнейшее превращение, идущее как бы в противоположном направлении и называемое денитрификацией. Этот процесс протекает в отсутствии кислорода под влиянием специальных родов денитрифицирующих бактерий. В ходе денитрификации происходит восстановление кислородсодержащих соединений азота. Этот процесс протекает ступенчато и заканчивается образованием молекулы азота – газообразного соединения, выделяющегося в атмосферу. Для осуществления этого процесса в технологическую схему очистных сооружений вводится анаэробная стадия.
В состав некоторых белков входят атомы серы, находящиеся в восстановленной форме (связанные водородом). Их окисление до молекулярной серы осуществляется в присутствии фотосинтезирующих серных бактерий. Для осуществления этого процесса необходимы два условия – свет и отсутствие аэрации. Такие условия могут быть созданы в анаэробных секциях блоков биологической очистки. Выделяющаяся молекулярная сера может в дальнейшем окисляться до сульфатов одним из штаммов тионовых бактерий. В этой же реакции роль окислителя играют нитраты, образуя молекулярный азот.
Состав поступающих со сточными водами загрязнений и режим аэрации приводит к формированию групп микроорганизмов, называемых таксонами, количество которых может превышать два десятка единиц. Совокупность образовавшихся и взаимодействующих друг с другом таксонов составляет биоценоз данной водной системы.

Такие коррелированные сообщества обладают важной особенностью – способностью к саморегулированию и поддержанию гомеостаза с окружающей средой. Устойчивость биоценоза к изменению объёма и содержания загрязнений в сточных водах является основой стабильности процесса биологической очистки. Изменения в составе активного ила под влиянием различных факторов могут быть использованы для осуществления биоиндикационного метода контроля над эффективностью работы очистных сооружений. Сущность этого метода основана на том, что в состав активного ила входит группа организмов-биоиндикаторов, позволяющая не только контролировать отклонения от нормального протекания процесса биологической очистки, но и квалифицировать причины такого отклонения. Положительный эффект от применения биологической очистки сточных вод сопровождается одним отрицательным явлением – это образование отходов в виде осадков сточных вод, обогащенных избыточным илом, который многие годы накапливается на иловых картах, располагающихся на больших территориях вблизи очистных сооружений.
Места расположения иловых карт легко обнаруживаются жителями близлежащих поселений благодаря неприятному запаху. Учитывая то обстоятельство, что избыточный ил – это органика, заимствованная человеком у природы, вернуть которую необходимо для того, чтобы хотя бы частично замкнуть биологический цикл, необходимо предпринять все имеющиеся интеллектуальные и технологические ресурсы для её возврата.

В первую очередь необходимо освободить ил от воды, находящейся в нём в связанном состоянии. Для этой цели используют различные реагенты (коагулянты и флокулянты) полимерного происхождения, которые после обезвоживания не дают возможности илу превратиться в сыпучий материал, что затрудняет его дальнейшее использование. Другим недостатком илового осадка является его патогенная обсеменённость, требующая применения различных методов обеззараживания. В последнее время появились работы, направленные на решение проблем, связанных с обработкой илового осадка.

Не меньше проблем возникает при обращении с твердыми отходами. Принципиальные причины возникновения этих проблем также связаны с неолитическим кризисом в истории человечества, приведшим к его постепенному отрыву от природных биогеохимических циклов и нарушению их замкнутости вследствие образования неуничтожаемых природой отходов.
Опасность полигонов (в большинстве своём свалок) состоит в том, что, как показывает опыт, помимо бытовых (коммунальных) отходов там обнаруживаются промышленные, медицинские, биологические и другие отходы.

Однако, независимо от уровня использования полигона в его теле проистекают анаэробные процессы разложения большого количества органических веществ, которые сопровождаются выделением сильно токсичной жидкости, которую принято называть – фильтратом. При отсутствии сборных ёмкостей для фильтрата, последний, попадая в водоносные горизонты, отравляет грунтовую воду, которая может быть источником питьевого использования для близлежащих поселений. В этом случае возникает серьёзная опасность различных заболеваний и эпидемий.

В настоящее время ведутся работы по нейтрализации и очистки фильтрата с помощью различных методов: от обратноосмотического до реагентного. Наиболее реальным способом очистки фильтрата является реагентный, который был успешно опробован в Московской области, на полигоне «Истра» в Дмитровском районе в десятых годах нынешнего столетия. Технология не была до конца доработана в связи с отказом московского правительства сделать первую в России установку опытно-промышленной. Тем не менее, в настоящее время ведутся работы по реализации и доведению до промышленного использования реагентной технологии очистки фильтрата на существующем полигоне.

Реализуемая в настоящее время обратноосмотическая технология обладает целым рядом недостатков, главный из которых – это большой объём (до 30%) концентрата. Компания, которая эксплуатирует эту технологию, предлагает отправлять концентрат обратно на полигон или сбрасывать на биологические очистные сооружения. И тот и другой случай неприемлем, т.к. отход в виде концентрата обладает большой токсичностью, которая может на очистных сооружениях уничтожить накопленный ил, а на полигоне – создать невыполнимые условия для дальнейшей очистки будущего фильтрата.

Чтобы завершить вопрос, связанный с качеством поверхностных водных объектов, обратимся к стокам производства продукции сельскохозяйственного назначения. Это, прежде всего, мясокомбинаты, молочные заводы, заводы по производству вина, пива, а также рассосредоточенный сброс с сельскохозяйственных угодий в виде удобрений и отходов животноводческих комплексов. Последние характерны высоким содержанием сальмонеллы, гельминтов, а также рядом химических элементов, включая азот и фосфор, наличие которых приводит к возникновению цветения водоёма. В процессе цветения выделяются токсины, которые классифицируются как наиболее опасные яды, поражающие нервную и иммунную системы, вызывают параличи, гепатиты, онкологию и генетические изменения. В связи с несовершенной действующей в России методологией аналитического контроля не контролируются пестициды, гербициды, летучие органические соединения, полихлорированные и полибромированные бифенилы и другие органические соединения.

Комплексный мониторинг экологического состояния водных объектов в соответствии с международными соглашениями предполагает тройственный подход:
Биоиндикация – оценка качества среды обитания по состоянию ее биоты в природных условиях.
Биотестирование – экспериментальная оценка опасности веществ по эффектам действия на живые организмы, культивируемые в лабораторных или искусственно созданных, приближенных к природным, условиям.
Гидрохимические измерения – проводятся только в тех пробах, где обнаружено неблагополучие. Осуществляется поиск токсикантов методами атомной адсорбции (поиск 57 металлов) и хроматографии (органические загрязнения).

Исходя из рассмотренных выше общих представлений природопользования, именно коммунальные отходы могут и должны стать основным источником возврата в почву тех элементов, которые были изъяты у природы и которые содержались в пище и ряде других природных продуктов, не полностью использованных человеком.
Один из наиболее эффективных способов повышения плодородия почв связан с одновременным применением минеральных и органических удобрений. Необходимость применения органических удобрений обусловлена рядом причин. Прежде всего, они содержат высокий процент гумуса, который аккумулирует большие запасы питательных веществ, не позволяя им удаляться из почвы. Опыт показывает, что применение одних минеральных удобрений на бедных гумусом почвах сопровождается постепенным снижением урожайности и накоплением в почве и растениях нитратов, нитритов и других вредных компонентов, вызывающих загрязнение окружающей среды и снижающих качество сельхозпродукции. Следует иметь в виду, что органические удобрения не только обогащают почву элементами корневого питания, но и улучшают её физико-химический режим.

Опыт показывает, что твёрдые коммунальные отходы являются серьёзным источником для производства органических удобрений. В этой связи при переработке ТКО наиболее предпочтительным методом по сравнению с полигонированием и сжиганием является их переработка на специальных предприятиях – заводах по механизированной переработке бытовых отходов (МПБО). Основой технологического процесса переработки отходов на таком заводе является биотермическое компостирование с одновременной утилизацией ценных компонентов, захоронение некомпостируемых фракций на полигоне или при планировке местности, в том числе при рекультивации нарушенных земель. Реализация отечественной технологии на заводах МПБО приводит к превращению ТКО в три группы материалов: компост, утиль и некомпостируемые отходы.

Утиль – черный и цветной металл, пластмасса, стекло, бумага – находят применение в соответствующих отраслях промышленности. Для некомпостируемой части отходов, прошедшей через биотермический барабан, исключается возможность биоразложения при складировании, поэтому использование этой части отходов вместе с грунтом при планировке местности не представляет опасности для окружающей среды, поскольку не образует ни биогаза, ни фильтрата.

Основной продукт, производимый на заводах МПБО – это компост. Особенности процесса биотермического компостирования ТКО позволяют решить ряд задач, имеющих важное природоохранное значение, так как значительная часть (40-60%) отходов превращается в ценное удобрение, возвращаясь таким образом в биохимический цикл. Биотермическое компостирование обеспечивает условия, при которых образование компоста реализуется в десятки раз быстрее, чем в природных условиях. Дополнительная аэрация способствует формированию и развитию не только термофильных микроорганизмов, но и сапрофитной микрофлоры. В отличие от минеральных удобрений, подавляющих развитие полезных микроорганизмов в почве, компост, в связи с присутствием в нём биогенов и сапрофитной микрофлоры, способен активно участвовать в биохимическом цикле.

Компостирование, проводимое на заводах МПБО в биотермических барабанах, способствует реализации ещё двух важных процессов. В результате подъёма температуры свыше 60⁰С уничтожается в компосте вредная микрофлора (болезнетворные микроорганизмы, в том числе энтеробактерии и энтеровирусы, яйца гельминтов, личинки мух). Эффективное измельчение при компостировании позволяет на последующих стадиях более полно отделить от компоста утильные и некомпостируемые компоненты.

Тот факт, что в исходных ТКО присутствуют соли тяжёлых металлов, служит формальной, хотя необоснованной причиной, сдерживающей широкое применение компоста в сельском хозяйстве. Проведенные исследования показали, что превышение содержания тяжёлых металлов в почве даже в несколько раз по сравнению с их предельными концентрациями, приводит лишь к изменению отдельных показателей ферментативной активности микрофлоры. Опыт работы отечественных заводов МПБО показывает, что получаемый компост удовлетворяет по всем параметрам как Европейским, так и более жёстким отечественным нормам. Результаты исследований, проведенные методом атомно-адсорбционной спектрографии в Институте токсикологии Минздрава России, показали, что применение компоста не приводит к превышению нормативных требований по их содержанию в продуктах питания. Исследования, проведенные ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии, показали, что компосты являются высокоактивным субстратом, насыщенным микрофлорой.

Использование других методов обращения с ТКО – сжигание и захоронение на полигонах – не только экономически неэффективно, но и экологически опасно. Высокая влажность ТКО, не подвергшегося, как в странах Европы, селективному сбору, практически не позволяет рассматривать этот материал в качестве реального топлива. Кроме того, стоимость мусоросжигательных заводов заметно превышает стоимость мусороперерабатывающих предприятий. Особенности процесса сжигания всей массы ТКО приводит к большим выбросам оксидов азота, являющегося основным загрязнителем атмосферы.

Выше была затронута очень небольшая часть природоохранных проблем, где была сделана попытка показать, что Биосфера, обеспечивающая возможность жизни на земле, находится в состоянии, которое вызывает опасения, так как, представляя собой открытую термодинамическую систему, находится вблизи точки бифуркации. Именно поэтому человечество должно сменить парадигму неконтролируемого роста материального благосостояния на природоохранную парадигму.
Анализ особенностей экологических проблем и динамики их нарастания позволяет сделать вывод о том, что их решение требует комплексного подхода, т.е. при решении конкретных природоохранных задач учитывать глобальные экологические закономерности.
Одна из первоочередных научных проблем – это создание искусственных биоценозов, способных участвовать в процессах обезвреживания отходов человеческой деятельности, позволяющих включиться в замкнутые природные биотические циклы.

Авторы: Бондарчук Е. В., Скворцов Л. С., Шептунов А. В.