Одной из важнейших для человечества является экологическая проблема. Общеизвестно, что радикальным средством ее решения является экологическое образование подрастающего поколения, экологическая подготовка будущих специалистов и просвещение населения в вопросах природопользования.
Можно выделить три модели экологического образования: однопредметную, многопредметную и смешанную. В первом случае экологическая грамота постигается путем введения в учебные планы дисциплины «Экология», во втором – путем «включения» экологических знаний в содержание различных преподаваемых курсов, а третья модель предполагает преподавание экологии как отдельного предмета и использования экологического потенциала практически всех дисциплин.
Следует отметить, что по инициативе одного из авторов в нашей республике разработан региональный учебно-методический комплекс учебной дисциплины «Экология», отражающий национально-региональный компонент и включающий в себя программу, учебник «Основы экологии» [1], методическое пособие «Уроки экологии» [2] и учебное пособие «Экологический практикум» [3]. Используются и федеральные разработки, обеспечивающие государственный образовательный стандарт.
В вузовских курсах для различных специальностей даются более глубокие представления о структуре природы, природных явлениях и экологических проблемах. Лекционные курсы дополняются лабораторно-практическими и семинарскими занятиями, защитой рефератов по актуальным проблемам. Ежегодно на студенческих научных конференциях и конкурсах представляются экологические доклады и проекты.
Многопредметная модель также используется в учреждениях образования республики по рекомендации республиканских конференций по экологическому образованию, проводимых с пятилетней периодичностью, начиная с 1990 года. Была разработана Концепция непрерывного экологического образования республики от дошкольной до послевузовской ступеней, включающая в себя междисциплинарный подход [4]. Эту модель реализуют педагоги не только естественнонаучных, но и даже гуманитарных дисциплин.
Несомненно, из трех моделей наиболее предпочтительной является смешанная, которая реализуется во многих учреждениях образования, в том числе и в нашем институте.
При подготовке специалистов по направлению «Технология продукции и организация общественного питания» с нашим участием на I курсе преподается курс «Экология», дающий сведения об основных понятиях и законах экологии, а также актуальных экологических проблемах. Для студентов изданы лабораторный практикум [5] и учебное пособие [6]. С учетом специфики направления на III курсе преподается дисциплина «Радиоактивное загрязнение пищевых продуктов».
По нашему глубокому убеждению огромным экологическим потенциалом обладают преподаваемые химические дисциплины. Так, в пособии «Химия и экология» некоторые авторы [7] сделали попытку показать достижения химической науки в решении экологических проблем, однако этого недостаточно и необходимо вести поиск экологического содержания химии. Ряд авторов [8] справедливо отмечает, что в ходе реализации экологического подхода в преподавании химии у студентов формируется наряду с химической экологическая компетенция, отражающая их способность комплексно применять общеучебные умения и предметные знания, сформированные в разных учебных дисциплинах, в различных экологических ситуациях.
К сожалению, у химии в последние годы сложилась репутация основного загрязнителя окружающей среды, и ее незаслуженно ругают, забывая при этом, что именно эта наука обеспечивает то невероятное разнообразие новых материалов, которые прочно внедрились в нашу жизнь. По нашим наблюдениям, в связи с общей тенденцией гуманитаризации образования и указанной репутацией химической науки даже отмечено снижение числа учащихся, выбравших химию для сдачи в качестве единого государственного экзамена.
Нам представляется, что в целях решения проблемы химического загрязнения среды необходимо глубже изучать химизм технологических процессов, а в преподавании основ химии осуществлять экологический подход – изучать основные химические загрязнители, последствия загрязнения, а также технологии переработки и утилизации загрязняющих веществ. На необходимость усиления экологизации преподавания химии в вузе нами указывалось ранее [9, 10], и этот подход постоянно используется в нашей деятельности.
В преподавании неорганической химии мы обращаем внимание студентов на так называемые парниковые газы (диоксид углерода, оксид азота и озон), сернистые газы (сернистый ангидрид и серный ангидрид), вызывающие подкисление почв, воды в водоемах, гибель лесов и посевов.
Усиленное внимание уделяем наиболее токсичным загрязнителям, таким как соединения фтора и хлора, источниками выбросов которых являются химические предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, соляной кислоты, хлорсодержащих пестицидов, хлорной извести и некоторых других соединений. Кроме того, даются сведения о содержании в загрязнителях атмосферы – аэрозолях ‒ асбеста, оксидов железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта и молибдена а также соединений кремния, кальция и углерода. Ну и, конечно, подчеркивается, что наиболее опасными загрязнителями среды и продовольствия являются радиоактивные вещества.
В преподавании органической химии обращаем внимание на парниковые свойства метана, вызывающего потепление климата. Существенное внимание уделяем стойким органическим загрязнителям – продуктам промышленного производства, к которым относятся полихлорированные диоксины и фураны, полихлорбифенилы, ДДТ, хлордан, гептахлор, гексахлорбензол, алдрин, диалдрин и другие. Особое внимание нами уделяется диоксинам – самым опасным веществам в мире. Одновременно рассматриваем пути загрязнения указанными соединениями пищевых продуктов и допустимое их содержание в продуктах.
В преподавании аналитической химии студентам даются представления о химических и физико-химических методах мониторинга состояния окружающей среды.
В последние годы в мире становится популярным новый подход к производству химических веществ – «зеленая химия», или химия в интересах устойчивого развития. Этот подход предполагает замену опасных растворителей на экологически приемлемые, снижение количества отходов с использованием одностадийных реакций вместо многостадийных, каталитических вместо стехиометрических и прогнозирование возможной токсичности химических продуктов реакций для природы и человека. Новые схемы химических реакций и процессов, которые разрабатывают во многих лабораториях мира, призваны кардинально сократить влияние на окружающую среду химических производств.
Международный союз по чистой и прикладной химии ИЮПАК сформулировал двенадцать принципов «зеленой химии», с которыми мы знакомим студентов:
- Лучше предотвратить потери, чем перерабатывать и чистить остатки.
- Методы синтеза надо выбирать таким образом, чтобы все материалы, использованные в процессе, были максимально переведены в конечный продукт.
- Методы синтеза по возможности следует выбирать так, чтобы используемые и синтезируемые вещества были как можно менее вредными для человека и окружающей среды.
- Создавая новые химические продукты, надо стараться сохранить эффективность работы, достигнутую ранее, при этом токсичность должна уменьшаться.
- Вспомогательные вещества при производстве, такие как растворители или разделяющие агенты, лучше не использовать совсем, а если это невозможно, их использование должно быть безвредным.
- Обязательно следует учитывать энергетические затраты и их влияние на окружающую среду и стоимость продукта. Синтез по возможности надо проводить при температуре, близкой к температуре окружающей среды, и при атмосферном давлении.
- Исходные и расходуемые материалы должны быть возобновляемыми во всех случаях, когда это технически и экономически выгодно.
- Где возможно, надо избегать получения промежуточных продуктов (блокирующих групп, присоединение и снятие защиты и т.д.).
- Всегда следует отдавать предпочтение каталитическим процессам (по возможности наиболее селективным).
- Химический продукт должен быть таким, чтобы после его использования он не оставался в окружающей среде, а разлагался на безопасные продукты.
- Нужно развивать аналитические методики, чтобы можно было следить в реальном времени за образованием опасных продуктов.
- Вещества и формы веществ, используемые в химических процессах, нужно выбирать таким образом, чтобы риск химической опасности, включая утечки, взрыв и пожар, был минимальным.
В материалах конференции ИЮПАК отмечено, что для того, чтобы «зеленый» подход стал частью мировоззрения всех химиков в мире, необходимы специальные усилия, прежде всего в области образовании. Идеи «зеленой химии» и концепции устойчивого развития рекомендуется вводить в основные курсы химии.
Достижения «зеленой химии» обозначают горизонты химии и делают ее в глазах студентов более перспективной и привлекательной. Она дает интересный и убедительный материал, который мы используем в преподавании химии. Некоторые идеи «зеленой химии» представляются фантастическими, вызывающими живой интерес у студентов к экологическим проблемам и к изучаемым химическим процессам.
Например, для будущих технологов представляет профессиональный интерес факт использования избыточного парникового газа CO2 в пищевой промышленности в сверхкритической форме для извлечения кофеина из зерен зеленого кофе, для экстракции хмеля при производстве пива и никотина из табака, а также различных ароматических веществ в парфюмерной промышленности. Сейчас заметно возросли усилия исследователей по замене органических растворителей на сверхкритический углекислый газ и в других промышленных процессах. Так, в Японии его уже активно используют в прачечных-химчистках.
Другой парниковый газ – метан, известный в природе как болотный газ и интенсивно выделяющийся в атмосферу в связи с потеплением климата, нашел применение в «зеленой химии» как исходное сырье для получения метанола, необходимого для синтеза многих органических соединений.
Казалось бы, физические и химические свойства воды хорошо изучены во всех ее агрегатных состояниях, однако под действием высоких температур и давления вода переходит в сверхкритическое состояние и приобретает уникальные свойства экологически чистого растворителя многих веществ.
Интересным направлением «зеленой химии» является замена токсичных растворителей на нетоксичные или полное исключение из химического процесса растворителя. В качестве чистых растворителей предлагается использовать и биоразлагающиеся растворители, ионные жидкости (соли, плавящиеся при низких температурах), другие сверхкритические жидкости.
Важным направлением является синтез разлагающихся в природе упаковочных материалов, что в значительной мере поможет решению проблемы бытовых отходов. Например, из дешевой молочной кислоты получают полилактат, который бесследно разлагается в природе.
Для технологов пищевой промышленности представляет большой интерес разработка самоочищающихся материалов, которые могут быть использованы в изготовлении технологического оборудования и посуды. После переработки древесины целлюлозу и целлобиозу с помощью ферментов можно превращать в глюкозо-фруктозный сироп, из которого получают сладости. Любопытно, что сырьем для получения указанного сиропа могут служить и бытовые отходы – бумага, картон, целлюлоза. Из сахаров с помощью ферментов получают различные кислоты – щавелевую, молочную, лимонную и другие.
В связи с сокращением запасов нефти «зеленая химия» развивается и в направлении получения биотоплива из природного растительного сырья после превращения лигноцеллюлозы и крахмала в спирт. При этом достигается двойной экологический эффект – экономится нефть, пока необходимая для органического синтеза, и получаются чистые выхлопные газы – продукты сгорания спирта. Известно, что до 70 % заболеваний людей связано с токсичными выхлопными газами современных автомобилей, работающих на нефтепродуктах. В дополнение к сказанному можно отметить получение энергии из сельскохозяйственных отходов и других альтернативных энергоисточников, снижение энергоемкости химических процессов за счет сокращения стадий химического производства и использования новых катализаторов. Ну и совсем кажется невероятной задача полного исключения использования вредных веществ в химическом синтезе.
Приведенные примеры далеко не исчерпывают новаторских замыслов «зеленой химии», но они наглядно свидетельствуют, что химия – наука будущего, и от ее достижений во многом будет зависеть решение проблемы и химического загрязнения окружающей среды. Задача преподавателей популяризировать достижения науки и показывать на конкретных примерах роль химии в решении экологических проблем. В этой связи представляется целесообразным наряду с фрагментарным включением в отдельные темы экологического содержания ввести в химические дисциплины целые модули, отражающие комплексные экологические проблемы и пути их решения на междисциплинарной основе.
В материалах конференций по «зеленой химии» сделан смелый прогноз, что когда-нибудь вся химия станет «зеленой». Насколько скоро это случится, будет зависеть от тех, кто сегодня обучается в школьных кабинетах и химических лабораториях. Нацелить на это – задача современного школьного учителя и вузовского преподавателя химии. Тогда будет решена проблема химического загрязнения окружающей среды.
В экологическом образовании зачастую преобладает алармистский подход, обостряющий восприятие экологических проблем, но который может сформировать у обучающихся экофобию, а «зеленая химия» дает надежду на решение самых сложных проблем и вселяет здоровый оптимизм в молодые души, побуждает к познанию и действию.
Рецензенты:
Якунчев М.А., д.п.н., профессор кафедры зоологии, экологии и методики обучения биологии, ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный педагогический институт имени М.Е. Евсевьева», г. Саранск;
Васин В.А., д.х.н., профессор, зав. кафедрой органической химии, ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева», г. Саранск.
Работа поступила в редакцию 06.03.2014.