Воздействие сельского хозяйства на окружающую среду

Сельскохозяйственная индустрия является основой жизни человеческого общества, так как дает человеку то, без чего невозможна жизнь — пищу и одежду (вернее сырье для производства одежды). Основой для сельскохозяйственной деятельности является почва — «дневные» или наружные горизонты горных пород (все равно каких), естественно измененные совместным воздействием воды, воздуха и различных организмов, живых или мертвых (В. В. Докучаев). По В. Р. Вильямсу, «почва — это поверхностный горизонт суши земного шара, способный производить урожай растений». В. И. Вернадский считал почву биокосным телом, так как она формируется под воздействием различных организмов.

Важнейшим свойством почв является плодородие, т. е. способность удовлетворять потребность растений в элементах питания, воде, воздухе, тепле для того, чтобы они (растения) могли нормально функционировать и давать продукцию, составляющую урожай.

На основе почв реализуется растениеводство, которое является базой для животноводства, а продукция растениеводства и животноводства обеспечивает человека пищей и многим другим. Сельское хозяйство обеспечивает сырьем пищевую, частично легкую, биотехнологическую, химическую (частично), фармацевтическую и другие отрасли народного хозяйства.

Экология сельского хозяйства состоит в том влиянии, которое на него оказывает деятельность человека, с одной стороны, а с другой — во влиянии сельского хозяйства на природные экологические процессы и на организм человека.

Так как базисом сельскохозяйственного производства является почва, то продуктивность этой отрасли хозяйства зависит от состояния почв. Хозяйственная деятельность человека приводит к деградации почв, в результате чего ежегодно с поверхности Земли исчезает до 25 млн. м2 пахотного слоя почвы. Данное явление получило название «дезертификации», т. е. процесс превращения пахотных земель в пустыни. Выделяют несколько причин деградации почв. К ним относят:

1. Эрозию почв, т.е. механическое разрушение почвы под воздействием воды и ветра (эрозия может протекать и в результате воздействия человека при нерациональной организации поливов и применения тяжелой техники).

2. Опустынивание поверхности — резкое изменение водного режима, приводящее к иссушению и большой потере влаги.

3. Токсификация — заражение почв различными веществами, отрицательно воздействующими на почвенные и другие организмы (засоление, накопление пестицидов и т. д.).

4. Прямые потери почв за счет их отвода под городские постройки, дороги, линии электропередач и т. д.

Промышленная деятельность в разных отраслях приводит к загрязнению литосферы, а это в первую очередь относится к почвам. Да и само сельское хозяйство, превратившееся в настоящее время в агропромышленный комплекс, может оказывать отрицательное воздействие на состояние почв (см. проблему использования удобрений, пестицидов). Деградация почв приводит к потере урожая и к обострению продовольственной проблемы.

Технологией оптимального выращивания культурных растений занимается растениеводство. Его задача — получение максимального урожая на данной территории с минимальными затратами. В процессе выращивания растений из почвы выносятся питательные элементы, которые не могут восполняться естественным путем. Так, в природных условиях запас связанного азота восполняется за счет азотфиксации (биологической и неорганической — при грозовых разрядах получаются оксиды азота, которые под действием кислорода и воды превращаются в азотную кислоту, а она (кислота), попадая в почву, превращается в нитраты, являющиеся азотным питанием растений). Азотфиксация биологическая — это образование азотсодержащих соединений за счет усвоения атмосферного азота или свободно живущими почвенными бактериями (например азотобактером), или бактериями, живущими в симбиозе с бобовыми растениями (клубеньковые бактерии). Другим источником неорганического азота в почве является процесс аммонификации — разложения белков с образованием аммиака, который, вступая в реакции с почвенными кислотами, образует соли аммония.

В результате производственной деятельности человека в атмосферу поступает большое количество оксидов азота, что тоже может служить его источником в почвах. Но несмотря на это почвы обедняются азотом и другими питательными элементами, что требует внесения различных удобрений.

Одним из факторов снижения плодородия является использование бессменных культур — многолетнее выращивание одной и той же культуры на одном и том же поле. Это связано с тем, что растения данного вида выносят из почвы только те элементы, которые им необходимы, и естественные процессы не успевают восстановить содержание этих элементов в прежнем количестве. Кроме того, этому растению сопутствуют другие организмы, в том числе и конкурентные, и болезнетворные, что тоже способствует снижению урожайности данной культуры.

Процессам токсикации почв способствует биоаккумуляция различных соединений (в том числе и ядовитых), т. е. накопление в организмах соединений различных элементов, в том числе и токсичных. Так, соединения свинца и ртути накапливаются в грибах и т. д. Концентрации токсинов в организмах растений могут быть настолько высокими, что употребление их в пищу может вызвать серьезные отравления и даже смерть.

Нерациональное использование удобрений и средств защиты растений, проведение поливов и мелиорационных работ, нарушение технологии выращивания сельскохозяйственных культурных растений, погоня за прибылью могут привести к получению экологически загрязненной продукции растительного происхождения, что по цепочке будет способствовать снижению качества продукции животноводства.

При сборе урожая образуются отходы растительной продукции (солома, полова и т. д.), которые могут загрязнять природную среду.

На состояние почв большое влияние оказывает состояние лесов. Уменьшение лесного покрова приводит к ухудшению водного баланса почв и может способствовать их опустыниванию.

Значительное влияние на природную среду оказывает животноводство. В сельском хозяйстве разводят преимущественно растительноядных животных, поэтому для них создают растительную кормовую базу (луга, пастбища и т. д.). Современный домашний скот, особенно высокопродуктивных пород, очень разборчив к качеству корма, поэтому на пастбищах происходит выборочное поедание отдельных растений, что изменяет видовой состав растительного сообщества и без коррекции может сделать данное пастбище непригодным для дальнейшего использования. Кроме того, что поедается зеленая часть растения, происходит уплотнение почвы, что меняет условия существования почвенных организмов. Это делает необходимым рациональное использование сельскохозяйственных угодий, отводимых под пастбища.

Кроме влияния животноводства на природу как кормовую базу, большую роль в негативном воздействии на природную среду оказывают и продукты жизнедеятельности животных (помет, навоз и т. д.). Создание крупных животноводческих комплексов и птицефабрик привело к концентрации продуктов жизнедеятельности домашнего скота и птицы. Нарушение технологии птицеводства и других отраслей животноводства приводит к появлению больших масс навоза, который нерационально утилизируется. В животноводческих помещениях в атмосферу поступает аммиак, сероводород, наблюдается повышенное содержание углекислого газа. Большие массы навоза создают проблемы с их удалением из производственных помещений. Удаление навоза мокрым способом приводит к резкому усилению развития микроорганизмов в жидком навозе, создает угрозу эпидемий. Применение жидкого навоза в качестве удобрения малоэффективно и опасно с экологической точки зрения, поэтому данная проблема требует решения с позиций охраны окружающей среды.

Сельское хозяйство (агропромышленный комплекс) широко использует различную технику и оборудование, позволяющее механизировать и автоматизировать труд работников, занятых в данной отрасли. Применение автотранспорта создает те же проблемы экологического характера, что и в сфере транспорта. Предприятия, связанные с переработкой сельскохозяйственной продукции, оказывают на среду обитания такое же влияние, как и предприятия пищевой промышленности. Поэтому при рассмотрении природоохранной деятельности в агропромышленном комплексе все эти виды влияния необходимо учитывать комплексно, в единстве и взаимосвязи, и только это позволит уменьшить последствия экологического кризиса и сделать все возможное для выхода из него.

Обзор природоохранной деятельности в агропромышленном комплексе

Необходимость интенсивной природоохранной деятельности показана в предыдущем подразделе. Сельское хозяйство должно снабжать население экологически качественной продукцией и оказывать минимум отрицательного влияния на среду обитания. С этой целью возможно применение ряда мероприятий по охране природы, которые охарактеризованы ниже.

В основе всей природоохранной деятельности в области сельскохозяйственного производства лежит оптимальный способ хозяйствования, т.е. ведение хозяйственной деятельности так, чтобы природе наносился минимальный ущерб — минимум потерь удобрений и оптимальная технология их использования, возможное сохранение поверхностного слоя почвы и биогенов, минимальное загрязнение водоемов, применение пестицидов в таком количестве и таких технологий, при которых среда обитания оставалась бы практически неизменной и т. д. (Биоген — питательное вещество, содержащее необходимые организму химические элементы — один или несколько. Примеры биогенов: аминокислоты, нитрат натрия; иногда биогенами называют химические элементы — С, Н, Р и другие, правильнее — биогенные химические элементы.)

Важным технологическим приемом в растениеводстве является вспашка земли, которая подготавливает почву к посеву и создает оптимальные условия для прорастания семян. Однако вспашка с использованием тяжелой техники может разрушать тонкую структуру почвы, вызывая образование пыли. Более экологичным является беспахотное земледелие, при котором сорняки уничтожаются гербицидами, а семена высеиваются и развиваются в почве, не подвергающейся обработке плугом или культиватором. Этот способ можно применять в комплексе с пахотным земледелием, но он также требует оптимального использования, так как в нем применяются гербициды.

Известно, что существует богарное (бесполивное) и поливное земледелие, при котором используют орошение — искусственную подачу воды на сельскохозяйственные угодья. Поливное земледелие позволяет получить большие урожаи, но требует оптимизации, состоящей в том, что воду следует подавать строго в определенном количестве, необходимом для растений. Избыток воды не только экономически не выгоден, но и приводит к нежелательным экологическим последствиям (вымыванию питательных веществ, нарушению водного обмена данного вида почв и т. д.).

Очень важной природоохранной мерой является оптимизация применения пестицидов. Необходимо находить такие пестициды, которые были бы эффективны в борьбе с вредителями сельскохозяйственных культур, но в то же время были малотоксичными для человека и других организмов, легко усваивались природной средой и не подвергались биоаккумуляции. Это очень трудная задача, но ее необходимо решать. Важна и необходима комплексная программа борьбы с вредителями за счет применения различных форм борьбы, включая и биологические методы.

К экологически безопасным методам борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур относят:

1. Карантин (пример организационно-хозяйственного мероприятия).

2. Агротехнические мероприятия, состоящие в определенных способах обработки почвы, последовательности внесения удобрений, соблюдении оптимальных сроков сева, уничтожении послеуборочных остатков посевов и т. д.

3. Прогнозирование возможностей массового размножения вредителей и принятие мер по их ликвидации экологически безопасными средствами.

4. Широкое применение биологических методов защиты растений.

К этим методам относят использование энтомофагов, биологически активных веществ, микробиологических препаратов, методов генетики.

Энтомофаги — организмы, питающиеся насекомыми, например насекомоядные птицы. Применение энтомофагов состоит в расселении местных насекомоядных организмов по данной территории, привлечении этих организмов на конкретную территорию и другие методы.

В качестве биологически активных веществ применяют аттрактанты (вещества, привлекающие одних животных к другим), репелленты (естественные или полученные химическим путем вещества, которые отпугивают животных). Использование таких веществ позволяет либо концентрировать вредителей, а потом уничтожать их какими-то способами, либо удалять эти организмы из охраняемой территории.

Микробиологические препараты уничтожают вредителей, заражая их специфическими заболеваниями. Метод требует осторожности в использовании и точного знания того, что применяемые микроорганизмы безвредны для человека и других организмов.

Генетические методы основаны на выведении стерилизованных форм вредителей или неполноценных рас в природные сообщества организмов, что способствует сокращению процессов размножения у вредителей, обитающих на данной территории.

Экологически безопасными являются физико-механические методы борьбы, включающие различные меры улавливания и сбора вредных насекомых (ловчие канавки, ловушки, клеевые ловчие кольца), хотя эти методы и трудоемки, но они в наименьшей степени вызывают загрязнение природной среды.

Важным природоохранным мероприятием является утилизация отходов растениеводства и животноводства. Так, солому, ботву, полову можно применять как удобрения, но без предварительной подготовки это малоэффективно; их следует использовать в комплексе с отходами животноводства и бытового комплекса для изготовления компостов, которые применяются в качестве эффективных органических удобрений.

Наибольшим по массе отходом животноводства является навоз, смешанный с соломой, применяемой в качестве подстилки скоту, птичий помет, жидкий навоз. В населенных пунктах, не имеющих канализации, к таким отходам относятся и фекальные массы. Смеси этих веществ нельзя использовать непосредственно в качестве органических удобрений, они должны пройти процессы брожения и удаления различных микроорганизмов, цист, яиц гельминтов (паразитических червей).

При утилизации отходов сельского хозяйства применяют методы биотехнологии. Биотехнология — технология, основанная на использовании живых организмов и биологических процессов для получения товарной продукции или очистки отходов производства.

В качестве мер природоохранной деятельности биотехнология применяется для очистки сточных вод животноводческих комплексов и предприятий по переработке сельскохозяйственной продукции. Биотехнологические методы используют и при переработке навоза в особых аппаратах, где в процессе анаэробного сбраживания образуется биогаз и смесь органических соединений, которые можно использовать в качестве органического удобрения.

Биогаз — смесь метана, углекислого газа и других газообразных веществ с неприятным запахом, которая образуется при анаэробном брожении навоза, компоста.

Следует отметить, что биотехнологические производства могут приносить и экологический вред при нарушении режимов технологии и авариях на производстве. Так, на заводе по производству кормовых дрожжей в г. Кириши Ленинградской области из-за несоблюдения технологических режимов в природную среду попадала пылевидная продукция, которая вызывала аллергические заболевания жителей данного района. Но это отнюдь не снижает экологической ценности использования биотехнологических методов для охраны Природы.

Важная роль в системе охраны Природы в сельском хозяйстве принадлежит созданию рациональной системы применения удобрений. Ранее говорилось о проблемах загрязнения окружающей среды и получения экологически загрязненной продукции за счет избыточного и нерационального использования разных удобрений. Поэтому важно разработать научно обоснованную технологию применения удобрений и не нарушать ее. Наряду с традиционными минеральными, органическими удобрениями и их смесями в современной агротехнике используют и новые виды удобрений — сидераты — сельскохозяйственные культуры, зеленая масса которых запахивается в почву целиком и в результате процессов гниения дает ценное удобрение. Примером сидератов является люпин. Внесение сидератов в почву экологично, но не всегда достаточно для восстановления плодородия почвы.

Охрана Природы в сельскохозяйственном производстве этим не ограничивается — она включает и мероприятия по нейтрализации воздействия транспорта и оборудования, работающего на полях. Так, разрабатывается сельскохозяйственная техника меньших габаритов, которая разрушала бы структуру почвы в меньшей степени, чем крупногабаритная. Природоохранная деятельность, характерная для транспорта, приемлема и в сельском хозяйстве, когда речь идет о работе парка сельскохозяйственных машин.

И, как и в любой отрасли хозяйства, большой вклад в природоохранную деятельность вносит экологическое просвещение всех работников сельского хозяйства (от рядового фермера до руководителя крупного агропромышленного предприятия).

Краткая характеристика биотехнологических производств и их влияния на природную окружающую среду

Производства продукции, основу получения которой составляют процессы, реализуемые различными микроорганизмами, называют биотехнологическими.

Применение микроорганизмов, как способа переработки различных химических соединений и их смесей в разные виды продукции, известно с глубокой древности. Так, дрожжевые грибки использовали в изготовлении хлеба, молочнокислые бактерии — для получения творога, сметаны и других молочнокислых продуктов и т. д. Однако, с современных позиций, получение хлеба, этилового спирта за счет спиртового брожения, уксуса, вина, молочнокислой продукции к биотехнологическим производствам не относят — эту продукцию получают на предприятиях пищевой промышленности. Современный термин «биотехнология» появился в 70-х гг. XX в. Он основан на успехах генетики, а именно — генетической, или генной, инженерии.

Генная инженерия — раздел молекулярной генетики, целенаправленно разрабатывающий создание жизненных форм новых комбинаций генетического материала, который способен размножаться в клетке-хозяине и синтезировать необходимые человеку продукты обмена в форме различных химических соединений.

Принцип генной инженерии состоит в том, что первоначально выделяют рестриктазы — особые ферменты (биокатализаторы белковой природы), которые рассекают молекулу ДНК на строго определенные фрагменты по определенным местам, а затем эти фрагменты «сшиваются» с помощью других ферментов — ДНК-лигаз, в результате чего возникает рекомбинативная ДНК, которая выделяется из исходной системы и внедряется в клетку, называемую клетка-хозяин. В этих клетках рекомбинированная молекула ДНК размножается, на ней синтезируется информационная РНК, а на последней — молекулы белка, которые являются целевым продуктом для конкретного производства.

Процесс получения новых генов и их размножение называется клонированием генов. Его можно осуществлять и механическим дроблением исходной ДНК, однако структурные гены часто получают их синтезом за счет химико-биологических реакций или за счет получения ДНК-копий соответствующих информационных РНК. При клонировании получают «структурные гены», которые несут только информацию о структуре соответствующего белка и не могут функционировать ни в клетке-хозяине, ни в исходной культуре. Функциональные свойства рекомбинированной ДНК (ДНК, содержащей структурный, синтезированный ген) придает вектор, содержащий участки начала синтеза и регуляторные участки молекулы ДНК. Векторы получают из плазмид бактерии кишечной палочки и других бактерий. В качестве клетки-хозяина используют кишечную палочку, дрожжи, животные и растительные клетки.

Известны три пути селекции рекомбинативной ДНК:

1. Генетический — по маркерам с помощью избирательных сред;

2. Иммунохимический — используется химико-биологический синтез генов;

3. Гибридизационный — с меченными ДНК.

В результате процессов, применяемых в генной инженерии, получены клоны многих генов рибосомальных и транспортных РНК, глобин (белок) мыши, кролика, человека, инсулина человека и т. д. Использование генной инженерии в селекции микроорганизмов сделало возможным получение новых штаммов нужных человеку микроорганизмов. Генная инженерия является теоретической основой современных биотехнологических производств.

К биотехнологическим производствам относят крупнотоннажное получение пищевых белков, являющихся кормовыми добавками для животных, различных аминокислот, используемых в медицинских целях, инсулина, пенициллина и других антибиотиков, а также ферментов, гормонов и других биологически активных химических соединений.

Биотехнологически получают иммобилизованные ферменты (энзимы, обладающие повышенной устойчивостью к факторам, изменяющим нативную, т. е. «живую» структуру белковой части молекулы этого фермента). К важнейшим биотехнолгическим производствам относится и получение «биогаза», являющегося энергетическим сырьем, а также осуществление биологической очистки сточных вод.

Как и любые производственные комплексы, биотехнологические производства характеризуются определенными технологическими процессами, реализуемыми на предприятиях. В различных биотехнологических предприятиях используется сырье, получается специфическая готовая продукция и образуются побочные продукты и отходы производства, которые определенным образом воздействуют на природные экологические процессы и здоровье человека. На этих предприятиях применяют транспортные средства для перемещения веществ как на данном предприятии, так и за его пределами, следовательно, следует учитывать их воздействие при оценке влияния данного биотехнологического производственного комплекса на экологические свойства конкретного региона. В характеристику экологического воздействия таких предприятий следует включать и особенности влияния строительного комплекса (при проведении ремонтно-строительных работ), а также предприятий массового питания.

Особенности природоохранной деятельности на биотехнологических предприятиях

Биотехнологические производственные комплексы в настоящее время находят все большее распространение, так как позволяют получать продукцию, которую нельзя получить другими методами. Но эти предприятия являются потенциально опасными. Особенно это относится к тем производствам, которые основаны на использовании генной (генетической) инженерии. Процессы, осуществляемые в генной инженерии, непредсказуемы, в их результате возможно получение продуктов, оказывающих на биосферу крайне негативное воздействие, которое может носить необратимый характер. Особенно опасна разработка биологического оружия с применением болезнетворных микроорганизмов. Но и при разработке «мирных» микроорганизмов возможно возникновение очень опасных для человека и других организмов модификаций микроорганизмов. Важно учитывать и этический аспект генно-инженерных исследований, особенно относящихся к антропогенной сфере.

Производства, основанные на применении современных достижений генной инженерии, являются высоко наукоемкими, поэтому автоматизированы и компьютеризированы. Это предполагает необходимость специальных мероприятий по защите работников, связанных с эксплуатацией компьютеров и других средств оргтехники.

Кроме рассмотренных особенностей биотехнологических производств, для них характерны аналогичные экологические воздействия, типичные для любых производственно-природных комплексов, связанные с продуцированием как материальных (в форме веществ), так и энергетических (тепловых, электромагнитных излучений, вибраций, шумов и т. д.) загрязнителей. Учитывая наличие пищевых, транспортных предприятий, а также предприятий сферы обслуживания, для биотехнологических производственных комплексов характерно воздействие, присущее для транспортной, строительной, пищевой, бытовой и торгово-коммерческой сфер человеческой деятельности. Следовательно, комплекс биотехнологических производств оказывает на биосферу мощное, часто негативное воздействие, что делает необходимым разработку и реализацию природоохранных мероприятий.

Важнейшим из мероприятий по охране Природы является тщательный и глубокий мониторинг экологической роли данного производственно-природного комплекса, результаты которого позволят разработать стратегию конкретных мероприятий, позволяющих свести к минимуму негативное воздействие данной отрасли народного хозяйства на природные экологические процессы.

Большую роль в охране Природы на данном производственном комплексе играет выработка у сотрудников биотехнологических предприятий природосообразного экологического сознания, четких гуманистических представлений, позволяющих проектировать возможные последствия генно-инженерных исследований и их практических реализаций в производстве.

Глобальным направлением природоохранной деятельности является строгое выполнение требований научной организации производства, исполнения технологической дисциплины и внедрения новых технологических разработок, способствующих снижению поступления загрязнений в окружающую среду и снижающих риск производственных аварий. При использовании компьютеров и других средств оргтехники природоохранными мероприятиями являются: соблюдение санитарно-гигиенических правил работы с этими приборами, создание приспособлений, уменьшающих поступление различных излучений от этих средств производства в среду обитания человека.

Примечание. Указанное направление относительно компьютерной техники применимо во всех отраслях производства и в бытовой деятельности, где эта техника используется; соблюдение правил техники безопасности при работе с любыми электронными средствами (включая персональные компьютеры) особенно необходимо для молодых людей.