Под биологическими повреждениями (биоповреждениями) подразумеваются такие эколого-технологические ситуации, когда живые организмы своей деятельностью и присутствием вызывают изменения (нарушения) структурных и функциональных характеристик антропогенных или природных объектов, а также сырья. Человек всегда защищался от моли, кожеедов, термитов, грызунов. Очищая днища кораблей от оброста, древние люди, вероятно, не думали, что стоят у истоков большой проблемы, которую позже назовут «Защита от биоповреждений». Сейчас ее относят к числу наиболее важных проблем в экологии человека, и касается она многих отраслей промышленности.
Во что обходятся биоповреждения
В настоящее время ежегодный ущерб от биоповреждений в мире оценивается в 40 млрд долларов. А еще в 1950-х гг. величина ущерба приравнивалась к 2% стоимости всей промышленной продукции, производимой человеком на планете. Из чего складываются эти цифры? Вот некоторые примеры.
Поселяясь на днищах судов, моллюски, гидроиды, балянусы, водоросли увеличивают расход топлива на 20%, снижая скорость движения на 30%. Обрастают и водоводы, снабжающие водой тепловые электростанции и заводы. Потери от нарушения водоснабжения из-за зарастания водоводов только в Англии достигают 1 млн фунтов стерлингов.
Все большее значение приобретают пресноводные обрастания, в частности, двустворчатым моллюском дрейссеной. Обрастания этим моллюском решеток водоразборных сооружений, систем охлаждения и т.п. приводит к серьезным нарушениям в энергетике, металлургии и других отраслях народного хозяйства.
Но дрейссена – не единственный нежелательный сосед. Издавна береговое хозяйство страдало от древоточцев и камнеточцев, которые разрушали молы, сваи, навигационные вехи, сплавной лес. Однако в последние годы в связи с увеличением объема прибрежного строительства это явление приобрело характер настоящего бедствия и ведет к большим материальным потерям.
Птицы создают серьезные помехи в работе электрических сетей. Кроме того ежегодно с птицами сталкивается около 4 тыс. воздушных судов. Попадание в двигатель птицы величиной с голубя вызывает его серьезные повреждения и необходимость замены. Затраты на ремонт поврежденных самолетов только по странам Западной Европы и Северной Америки превышают 14 млн долларов. По мнению специалистов, в гражданской авиации в масштабах СНГ ежегодно сталкиваются с птицами более 1 тыс. воздушных судов, в среднем происходит 1–5 столкновений на 1 тыс. полетов. Случаются и катастрофы.
Из-за коррозии теряется почти 20% металла, и она усиливается под действием железобактерий, тионовых, нитрифицирующих и сульфатредуцирующих бактерий. С деятельностью бактерий связано 77% случаев коррозии нефтяного оборудования. Стоимость замены подземных труб, поврежденных бактериями, только в США достигает 2 млрд долларов ежегодно.
Особенно большой ущерб водосточным и водопроводным стальным трубам, насосам, шахтному оборудованию, стенам электростанций наносят тионовые бактерии, окисляющие серу до ее соединений и продуцирующие кислоту. Несколько лет назад при строительстве Киевского метрополитена возникла предаварийная ситуация, вызванная усиленной микробиологической коррозией тюбингов и болтов тоннельной отделки, образованием кислотной агрессивной среды вокруг отделочных элементов. Как выяснилось, бурному росту тионовых бактерий способствовали кессонный метод проходки, создающий благоприятные для бактерий аэробные условия, а также высокое содержание в породе закиси железа и пирита.
Доля повреждения грибами всех производимых человечеством пластмасс превышает 25%. Велики потери, вызываемые грибным повреждением древесины, которая до сих пор широко используется в энергетике, строительстве и на транспорте. Так, годовые потери древесины от грибов только в нашей стране составляют 21 млн м3. С точки зрения охраны окружающей среды нелишне заметить, что для восполнения этих потерь мы ежегодно вырубаем 100 тыс. га леса.
Эколого-технологическая концепция
К середине XX в. человечество столкнулось с экологическим фактором, хотя и не новым, но оказавшимся чрезвычайно важным.
Почему это произошло? Прежде всего потому, что многократно возрос общий объем изделий, которые стали вытеснять из привычных местообитаний различные живые существа.
Во-вторых, человек стал создавать такие устройства, которые экологически оказались привлекательными для живых существ, в одних случаях напоминая экологические прототипы, которыми те давно пользовались в природе, в других оказавшись неожиданно полезными как новые источники питания или убежища. Живые организмы, используя эти изделия и устройства, стали их разрушать или создавать помехи для их эксплуатации.
В-третьих, человек стал в огромном количестве производить пластмассы и пластмассовые изделия, заменяя ими там, где это возможно, металл, древесину и другие материалы. Эту тенденцию, несомненно, наследует и XXI в., но одновременно наследуется и другая тенденция – разрушение пластмасс грибами.
Таким образом, биоповреждения стали, увы, неизбежным спутником технического прогресса, реакцией биосферы на деятельность человека, не позаботившегося заранее о том, чтобы его материалы и изделия вписались в биосферные процессы безболезненно для обеих сторон. Эта реакция сходна с реакцией биосферы на загрязнение окружающей среды. Однако при загрязнениях биосфера реагирует на отработанные пластмассы, древесину и т.д., что полезно, так как избавляет планету от избытка мусора. В случае биоповреждений это не так: живые организмы атакуют действующие изделия, находящиеся в эксплуатации.
Где же выход?
Биоповреждения возникают в результате взаимодействий материалов и изделий с компонентами биосферы. Следовательно, решение проблемы сводится к оптимизации этих отношений. Человеку нужно, чтобы создаваемые им изделия были защищены от пагубного воздействия живых организмов в течение всего срока эксплуатации, после чего их разрушение не только не возбраняется, но даже стимулируется (биоразрушениями отходов занимается новое перспективное направление науки и промышленности).
Важно отметить, что «золотой ключик» в защите от биоповреждений создать невозможно. Попробуем хотя бы в самом общем виде представить себе все ситуации, с которыми приходится иметь дело.
Нет материалов и, соответственно, изделий из них, которые не повреждались бы бактериями, грибами, лишайниками, водорослями, высшими растениями, животными (от простейших до млекопитающих). Взаимоотношения между организмами и повреждаемыми ими объектами носят сложный, мозаичный характер и к тому же постоянно усложняются. Человек непрерывно создает новые и новые материалы и изделия, насыщает ими биосферу, и все новые виды организмов приобретают биоповреждающую активность. Как все это предусмотреть, создавая новые материалы и новую технику?
Прежде всего, изучают огромный практический опыт, накопленный за многие столетия и, главным образом, в последние годы. В настоящее время мы располагаем целым арсеналом защитных средств. Вот некоторые из них.
В распоряжении судостроителей и моряков имеются противообрастающие лакокрасочные материалы, такие как закись меди и бис-(дигидрофенарсазин)-оксид (II-оксид), оловоорганические соединения (бистибутил-оксид), хлорфеноксарсин и другие. За рубежом созданы так называемые самополирующиеся противообрастающие сополимеры, способные при движении корпуса судна уменьшать шероховатость поверхности и в течение двух лет защищать судно от обрастания. Покрытия этого типа экологически менее опасны, чем хлорсодержащие, ртутьорганические и свинцово-органические биоциды. Они могут защищать не только суда, но и любые подводные поверхности.
Древесину защищают от поражения грибами, пропитывая антисептиками (бихромат натрия, фтористый и кремнефтористый натрий, пентахлорфенолят натрия, нафтенат меди, антраценовое масло и др.). Это увеличивает срок ее службы в 2–3 р, что в масштабах страны дает огромный экономический эффект.
Для защиты от биоповреждений синтетических полимерных материалов успешно используются салициланилид, 8-оксихинолят меди, мышьякоорганические и оловоорганические вещества, тиурам, цимид, 2-оксидифенил, трилан и др.
Разработаны технические устройства с применением биоакустических и экологических средств, отпугивающие птиц от ЛЭП, электроподстанций, архитектурных памятников.
Общим для большинства защитных мер пороком является их узкая специализация: одни объекты они защищают хорошо, другие плохо. Их разработчики добиваются высокой эффективности в отдельных конкретных случаях, зато малейшее изменение эколого-хозяйственной ситуации сводит положительный эффект к нулю.
Поскольку разработка и внедрение каждого нового средства требует огромных затрат, а окупаются они далеко не сразу, гораздо целесообразнее сосредоточивать усилия на комплексной защите от биоповреждений, объединяющей как экологические, так и технологические методы и пригодной для обслуживания широкого круга ситуаций.
Еще совсем недавно одним из главных средств отпугивания птиц от аэродромов, где происходит около 60% всех столкновений, были газовые хлопушки, имитирующие ружейный выстрел. В настоящее время здесь используется целая система предотвращения летных происшествий по вине птиц. С помощью локатора обнаруживаются и отслеживаются массовые скопления птиц. С соседних аэродромов поступают оповещения о приближении мигрирующих стай. При необходимости принимаются меры, делающие район аэродрома и его окрестности экологически непривлекательными для птиц. Наконец, при появлении птиц на взлетной полосе включаются мощные звуковые отпугивающие устройства. В результате удается улучшить статистику столкновений на 10–18%. Снижения опасности столкновения достигают внесением изменений в конструкцию двигателей, остекления и других узлов, после чего проводится специальная проверка оборудования и конструкций на «птицестойкость», и самолету выдается сертификат.
Одно из главных условий, стоящих перед разработчиками новых защитных комплексов, – экологическая безопасность. Если безопасность не гарантирована, то применение многих высокоэффективных, но токсичных для человека и окружающей среды препаратов, ограничивается или запрещается.
Первый в мире координирующий орган по проблеме биоповреждений – Научный совет РАН по биоповреждениям (создан 14 сентября 1967 г.) – занимается разработкой теоретических основ для решения этой проблемы, обобщением огромного практического опыта, накопленного учреждениями и ведомствами. Существует серия специализированных сборников-справочников «Биологические повреждения» (микроорганизмы, обрастатели, насекомые, грызуны и птицы). Начат выпуск многотомного «Каталога биоповреждений».
