Общая характеристика опасности химического загрязнения

В банке данных Chemical Abstract Services (США) имеются сведения почти о 8 млн химических соединений. Несколько десятков тысяч этих соединений применяются в быту, промышленности и сельском хозяйстве. Многие из них никогда ранее не участвовали в биохимических процессах, а часть из них вообще не встречаются в природе. К наиболее опасным (яды здесь не рассматриваются) относят токсичные вещества, определение которых дано в «Российской энциклопедии по охране труда» [38]:

Токсичные вещества - вещества, способные при воздействии на живые организмы приводить к их гибели при следующих концентрациях: средняя смертельная доза при введении в желудок от 15 мг/кг до 200 мг/кг включительно; средняя смертельная доза при нанесении на кожу от 50 мг/кг до 400 мг/кг включительно; средняя смертельная концентрация в воздухе от 0,5 мг/л до 2 мг/л включительно.

В ответ на риски, связанные с загрязнением, созданы базы данных об опасных химических веществах.

Международный реестр потенциально токсичных веществ (The International Register of Potentially Toxic Chemicals , IRPTC). Создан в 1972 г. Это база данных, к которой возможен удаленный доступ, а также организация, которая занимается поддержание этой базы.

Кодекс алиментариус. (Codex Alimentarius). Содержит международные стандарты, руководящие принципы, касающиеся пищевых продуктов. Документы разрабатываются комиссией Codex Alimentarius, которая создана в 1963 г. под эгидой FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations). Всемирной торговой организацией Codex используется при урегулировании споров.

К опасным химическим элементам отнесены: ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, медь, цинк, олово и железо. В нашей стране перечень дополняют: никель, хром, селен, алюминий, фтор и йод. Перечисленные элементы не исчерпывают все факторы опасности. К токсичным и даже к супертоксичным веществам относятся соединения группы пестицидов. Это ДДТ и его производные, а также диоксины и диоксиноподобные соединения. Негативным фактором является биогенное загрязнение среды. Опасность связана с болезнетворными микроорганизмами и накоплением токсичных веществ, выделяемых бактериями. Широкое использование удобрений, нефти и нефтепродуктов еще одна стороны негативного антропогенного влияния.

Ниже более подробно рассмотрены вопросы, связанные с загрязнением среды наиболее значимыми с точки зрения экологии химическими веществами:

· тяжелыми металлами;

· пестицидами.

Тяжелые металлы

К тяжелым металлам относят элементы пятой и шестой групп Периодической системы элементов. Они имеют плотность более 6-8 г/см³, что объясняет их название. В эту же группу включают мышьяк, который металлом не является. Наиболее опасны легкорастворимые формы, способные накапливаться в биоте. Тяжелые металлы проявляют широкий спектр интоксикации. Следует отметить, что существуют механизмы нейтрализации интоксикации. Так, печень и почки человека синтезируют низкомолекулярные белки, которые связывают металлы в прочные комплексные соединения.

Ниже рассмотрены элементы: Hg, Pb, Cd, Cr и Fe. Их выбор определяется следующим:

· первые три элемента относятся к 1 классу опасности, причем, если ртуть и свинец давно используются людьми, то опасность кадмия проявилась сравнительно недавно;

· пример хромапоказывает, что определенные химические соединения обычно безопасного элемента могут вызывать тяжелые заболевания;

· железо, с которым мы сталкиваемся ежедневно, является примером того, что развитие организма может лимитировать как недостаток, так и избыток необходимого элемента.

Ртуть Hg .Ее отличается от других металлов тем, что при комнатной температуре находиться в жидком состоянии, обладает очень слабым сродством к кислороду и не образует гидрооксидов. Относится к элементам, постоянно присутствующим в окружающей среде и живых организмах. Природное поступление ртути в биосферу обусловлено вулканической деятельностью и биотой. Общая (природная и антропогенная) эмиссия ртути в атмосферу составляет свыше 5-6 тыс. т./год, причем менее половины поступает из естественных источников.

Безопасная доза общей ртути – 5 мкг на 1 кг веса в неделю. Допустимая концентрация металлической ртути в воздухе – 0,1 мкг/л. Крайне опасна метилртуть. Она хорошо растворима в жирах и поэтому быстрее проходит через биологические мембраны, чем другие соединения ртути. Например, она легко проникает через плаценту и воздействует на эмбрион и плод. Возможны разные пути поступление ртути в организм.

Характерен пример с "болезнью Минамато". Первые случаи заболевания были отмечены среди рыбаков Японии на берегах бухты Минамато в 1956 г. Они выражались в нарушениях зрения, слуха, осязания, неврологических расстройствах. У новорожденных регистрировали врожденные пороки. Только в 1969 г. было доказано, что причина заболевания – метилртуть, которая со стоками фабрики по производству азотных удобрений поступала в залив, концентрировалась в бентосе и попадала в пищу. Всего было зарегистрировано 292 случая болезни и из них 62 смертельных.

Иногда источником опасности становится зерно. В середине ХХ века в Скандинавии (как и других странах) перед посевом семена протравливали соединениями ртути. Спустя несколько лет была отмечена массовая гибель зерноядных птиц (голубей, куропаток и др.), а затем и хищных. О серьезности проблемы свидетельствует и другой случай. В Ираке подготовленные к посеву семена (протравленная метилртутью пшеница) были использованы в пищу. В результате 6530 человек отравились, а 495 человек погибло.

Один из распространенных источников ртути – люминесцентные лампы. Одна лампа содержит около 150 мг ртути и способна загрязнить 500 тыс. м² воздуха на уровне ПДК.

Свинец.Это один из распространенных и давно используемых элементов, поэтому действие его на человека изучено подробно. Антропогенные источники эмиссии: транспорт (до 260 тыс. т/год); высокотемпературные технологические процессы (около 35 тыс. т/год) и металлургия (около 90 тыс. т/год). В сумме они многократно превышают природную эмиссию, а потому в костях современного человека может содержаться в 700–1200 раз больше свинца, чем в скелетах людей, живших 1500 лет назад.

Несмотря на то, что все соединения свинца действуют сходно, их токсичность убывает в последовательности:

органические соединения > нитрат > хлорид > оксид > карбонат > ортофосфат.

К особо опасным органическими соединениями относится тетраэтилсвинец – РЬ(С₂Н₅)₄. Ранее его в количестве 0,1% добавляли в бензин для повышения октанового числа. При сгорании свинец выбрасывается в атмосферу. Далее он попадает в почву и загрязняет продукты сельского хозяйства, выращенные вдоль автострад. Опасная зона простираться на расстояние от 10 до 500 м от дороги. Хронические отравления наблюдаются и при вдыхании воздуха, содержащего выхлопные газы. Нужно отметить, что после запрещения этилированного бензина, уровень загрязнения свинцом придорожных участков начал уменьшаться.

Воздействие свинца приводит к нарушению функций ряда ферментов. При хронических отравлениях отмечается общая слабость, боли в животе, нарушение работы почек. Отмечено снижение умственных способностей, агрессивное поведение и другие симптомы. Установлено, что хроническая интоксикация наступает при поступлении 1–8 мг свинца в сутки.

Опасность усугубляется аккумуляцией свинца некоторыми видами биоты (планктон, хвойные деревья, мхи и др.). Свинец может накапливаться в костях в виде нерастворимых фосфатов, не оказывая непосредственного действия, но при определенных условиях переходит в кровь и вызывает отравление. Мобилизации свинца способствует повышенная кислотность, недостаток кальция.

Выделение свинца из организма происходит через пищеварительный тракт и почки. Повышенное содержание свинца в моче (более 0,05 мг/л) – признак отравления.

Допустимый еженедельный прием свинца – 3 мг для взрослых людей. ПДК свинца в воздухе – 0,003 мг/м^З.

Кадмийотносят к рассеянным элементам. Он, обычно, сопутствует цинку. Широко применяется в ядерной энергетике и гальванотехнике, при производстве пластмасс и сплавов. Основные источники поступления: горно-металлургические комбинаты, сжигание отходов, сточные воды, производство красителей и минеральные удобрения. Ионы кадмия обладают большой подвижностью, легко аккумулируются многими организмами, в особенности бактериями и моллюсками. Уровни биоконцентрации могут достигать нескольких тысяч. В организме кадмий блокирует работу ряда ферментов, способен замещать кальций, нарушая тем самым физиологические процессы. Обладает мутагенным эффектом. Наиболее чувствительны к кадмию водные организмы.

Для кадмия безопасная предельная доза установлена – 6,7–8,3 мкг/кг.

Эпидемиологические данные указывают на чрезвычайную опасность кадмия для человека. Дело в том, что от 50 до 75%, попавшего в организм кадмия удерживается и весьма медленно выводится (0,1% в сутки), а поэтому отравление часто принимает хроническую форму.

Демонстративен пример с болезнью "итай-итай", которая впервые отмечена в Японии. Болезнь характеризовалась сильными болями, деформацией скелета, переломами костей, повреждением почек. Далеко не сразу удалось установить причины болезни (к тому времени погибло более 150 человек). Хроническое отравление вызывал кадмий. Была прослежена цепочка, по которой он попадал в основной продукт питания – рис. Для орошения полей использовали воды реки Дзинцу, в которую поступали стоки цинкового рудника, а так как в рудах кадмий сопутствует цинку, его содержание в рисе было повышенно. Последствия отравления усугублялись аккумуляцией кадмий в организме жителей.

Хромраспространен повсеместно. Содержание в земной коре составляет 8,3·10^-3%. Поступает в биосферу как из естественных источников (всасывание растениями из почвы, эрозия горных пород и почв), так и, главным образом, в результате антропогенной деятельности (сжигание угля, металлургия, производство огнеупорных кирпичей, хромовой кислоты и хроматов, синтез красителей и т.д.).

Опасность соединений хрома различна для 3х- и 6-валентных форм.

Доказана незаменимость 3х-валентного хрома. При его дефиците угнетается рост и нарушается обмен глюкозы, приводя к развитию диабета. Некоторые млекопитающие без видимых последствий переносят 200-кратное увеличение содержания 3-х валентного хрома в организме. Многие микроорганизмы и некоторые растения аккумулируют хром, но среди рыб встречаются особо чувствительные виды. Для лососевых опасны концентрации выше 0,02 мг/л.

Большинство соединений 6-валентного хрома обладают выраженной токсичностью. Их незначительные концентрации в воздухе раздражают верхние дыхательные пути, вызывая насморк, сухой кашель. При высоких дозах появляются кровотечения из носа и возможно разрушение носовой перегородки. Хронические отравления сопровождаются поражением почек, склонностью к язвенным изменениям желудочно-кишечного тракта и катаральному воспалению легких.

Железо.О его важности железа свидетельствует высокое содержание в организме человека – 4–5 г и высокая суточная потребность – 12–15 мг.

Недостаток железа приводит к железодефицитной анемии (низкий гемоглобин, малокровие). Она наблюдается у людей, использующих хлеб из муки высшего сорта, содержащей мало железа. Дело в том, что зерновые богаты фосфатами, которые образуют с железом трудно растворимые соединения. Поэтому из зерновых человек усваивает всего 5-10% железа, тогда как из мясных продуктов до 30% этого элемента. Другими словами, люди, страдающие железодефицитной анемией, должны питаться мясом.

Потребление более 200 мг железа в день может вызвать интоксикацию (гемохроматоз), особенно у детей. При этом нарушаются механизмы, ограничивающие всасывание железа, и оно накапливается во всех органах, что приводит развитию цирроза печени, сахарного диабета, сердечной недостаточности.

Железо окисляет пищевые продукты гораздо сильнее, чем медь, и его избыток портит внешний вид и вкус продуктов. Поэтому содержание железа нормируют на более низком уровне, чем это необходимо по токсикологическим свойствам.

Пестициды.

Пестициды используются для борьбы с переносчиками таких болезней как малярия или энцефалит, широко применяются в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями растений и во многих других случаях. Масштабы их использования быстро увеличиваются, соответственно, растет загрязненность продуктов питания. По данным FAO за 2002 г, в странах ЕС 40% фруктов, овощей и зерна содержали остатки пестицидов, 15% – остатки нескольких пестицидов, а в 5% их количество превышало ПДК.

В зависимости от поражающего действия эти вещества делят так:

· гербициды - уничтожение сорной растительности;

· фунгициды - против паразитических грибов;

· бактерициды - против бактерий;

· инсектициды - против вредных насекомых.

По числу названий в продажу поступает больше всего инсектицидов, но по масштабам применения лидируют гербициды, а инсектициды занимают второе место. Показательны примеры воздействия на окружающую среду таких галогенорганических соединений, как диоксины и препараты группы ДДТ.

Диоксины и диоксиноподобные соединения.В большую группу этих соединений входит ряд веществ, содержащих атомы хлора. Химически диоксины инертны. Имеют высокую адгезионную способность.

Столкнулись с диоксинами в 30-х годах XX века, когда в США начали производство полихлорфенолов. В 60-х годах прошлого века использовались США во время войны во Вьетнаме для уничтожения растительности. В настоящее время не производятся, но являются нежелательным побочным продуктом там, где используется хлор. По этой причине пик неконтролируемого выброса диоксинов пришелся на время широкого применения хлора для отбеливания бумаги и синтеза ряда веществ в 60–70-е годы. Сейчас основными источниками диоксинов являются:

· отходы, содержащие хлорфенолы;

· выбросы печей, сжигающих промышленные отходы;

· процессы хлорирования.

Очень токсичны. Смертельные дозы измеряются в мкг/кг живого веса. Способны к биоаккумуляции. Период полувыведения составляет 5-6 лет. Вызывают заболевания – хлоракне и расстройства печени. Хлоракне – тяжелая форма угрей, уродующих кожу (остаточные явления до 25 лет). Заболевание может длиться годами и с трудом поддается лечению.

Проблема загрязнения диоксинами подробно рассмотрена в Госдокладе "О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1993 г.": Выборочные обследования, проведенные Роскомгидрометом в 1993 г., показали, что их содержание в воде, городских почвах и атмосферном воздухе не превышает ПДК. Однако сам факт наличия диоксинов требует внимания и указывает на то, что ряд предприятий имеют опасную технологию.

ДДТ и другие инсектициды.ДДТ синтезирован в 1874 г. О. Цайдлером. В 1938 г. П. Мюллер обнаружил инсектицидные свойства ДДТ. Это стойкое вещество (разлагается при 195^о С) не отпугивает насекомых, мало токсично для человека и других теплокровных (безопасная доза 500‑700 мг).

Первые результаты применения ДДТ были позитивны. Вторая мировая война, благодаря ДДТ, была первой, в которой от тифа погибло меньше людей, чем от пуль противника. Успешным было использование ДДТ против комаров – переносчиков малярии. Если в 1948 г. в Индии погибло от малярии более 3 млн человек, то в 1965 г. случаи смерти от малярии были единичны. Именно за это П. Мюллер была вручена Нобелевская премия 1948 г.

Отрицательные свойства. Спустя 20–30 лет выявились негативные последствия применения ДДТ и других пестицидов, которые заключались в следующем:

· повышение сопротивляемости вредителей к пестицидам;

· устойчивость пестицидов в среде и накопление их в организмах;

· возрождение вредителей и вторичные вспышки численности;

· рост материальных затрат на применение пестицидов.

· быстрое распространение (ДДТ обнаружен в странах, где не применялся).

Рассмотрим негативные экологические последствия действия инсектицидов.

Популяции насекомых-вредителей способны быстро эволюционировать. При воздействии пестицидов погибают чувствительные особи, но особи с высокой сопротивляемостью выживают и дают более выносливое поколение. Так как многие насекомые размножаются стремительно, возникают линии с высокой устойчивостью к пестицидам. Известны случаи, когда устойчивость возрастала в десятки тысяч раз. Более того, обретая устойчивость к одному агенту, популяция становится устойчивой и к другим.

Другая проблема связана с судьбой пестицидов в окружающей среде. В зависимости от времени, в течение которого препарат сохраняется в почве, выделяют: быстро разрушающиеся – менее 15 недель, умеренно разрушающиеся –15–45 недель, медленно разрушающиеся – 45–75 недель и устойчивые – более 75 недель. Период полувыведения у ДДТ примерно 20 лет, т.е. ДДТ относится чрезвычайно устойчивым веществам.

Еще одна особенность ДДТ и многих других пестицидов – способность накапливаться в организмах по мере продвижения по пищевым цепям. Характерен пример, связанный с уничтожением комаров на одном из калифорнийских водоемов. После обработки акватории содержание ДДТ в воде составило 0,02 ppm, планктоне – 10, планктоноядных рыбах – 900, хищных рыбах – 2700, т.е. биоконцентрация в конце цепи достигла почти 100 тыс. раз.

Следующая проблема – увеличение численности вредителей спустя некоторое время после обработки посевов (вторичные вспышки численности). Подобные явления обусловлены взаимосвязью видов по типу хищник – жертва. В экосистеме численность растительноядных видов (жертвы) контролируется плотоядными (хищники). Пестициды могут оказывать большее влияние на хищников, чем на жертв. Это связано с двумя причинами. Во-первых, происходит аккумуляция пестицидов в организме жертв, и хищник получает большую дозу яда. Во-вторых, хищники погибают просто из-за недостатка пищи. После исчезновения врагов происходит взрывной рост популяции растительноядных насекомых. В этом проявляется взаимосвязь компонентов экосистем – уничтожение одного вида с неизбежностью влечет цепь нежелательных экологических эффектов.

Приведенные выше сведения дают ответ на вопрос: Почему увеличиваются затраты на применение пестицидов? Повышение устойчивости и вторичные вспышки численности вредителей вынуждают использовать более сильные препараты и многократно обрабатывать посевы. В результате на некоторых плантациях США выращивание хлопка оказалось нерентабельным из-за высоких затрат на борьбу с вредителями.

Пожалуй, наиболее важный аспект проблемы пестицидов – воздействие на здоровье людей. Здесь уместен пример. У человека, также как и у многих других видов, ДДТ аккумулируется в жировой ткани, а потому в ряде случаев грудной ребенок с молоком матери мог получить больше ДДТ, чем это допускается. В связи с этим случаем один из исследователей Национального института здоровья США заметил: "Если бы материнское молоко находилось в другой упаковке, его вообще не разрешили бы пускать в продажу".

Позднее было выяснено, что часть отрицательных свойств ДДТ обусловлена примесями полихлорбифенилов (ПХБ). В промышленном ДДТ содержится до 30% ПХБ, который безвреден для насекомых, но токсичен для людей.

Принимаемые меры.Разработаны правила, которые охватывают все аспекты обращения с пестицидами: перевозку, хранение, ликвидацию пустых емкостей, предельно допустимые остаточные количества и многое другое.

Постепенно изымаются из употребления хлорорганические инсектициды, такие, как ДДТ, хотя они, несомненно, принесли пользу здравоохранению и сельскому хозяйству.

Первой страной, запретившей ДДТ в начале 1970-х годов, была Новая Зеландия. второй страной был СССР, но запрещение имело две оговорки: применение разрешалось в Узбекистане, где еще встречались случаи малярии, и в таежных районах, где распространен клещевой энцефалит. Из Госдоклада "О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1993 году" следует, что в сельском хозяйстве в течение 1980–1991 гг. применяли около 150 тыс.т/год пестицидов, в 1993 г. потребление уменьшилось до 43,7 тыс.т. Наиболее загрязнены пестицидами почвы Северного Кавказа, Приморского края и Центрально-Черноземных областей.

Пестициды относятся к веществам, наиболее широко загрязняющим природу, однако, и это следует подчеркнуть специально, их «лидирующее» положение является временным. Разработаны «короткоживущие» препараты, распадающиеся в течение сезона или более короткие сроки. Более широко используют биологических средств защиты растений. Это неизбежно «отодвинет» проблему пестицидов, как загрязнителей, на более низкий уровень.

Природный геохимический фон – биогеохимические провинции

На Земле выделяют области – биогеохимические провинции, в которых с повышенным или пониженным содержанием некоторых химических элементов связана определенная реакция со стороны биоты[39]. Например, причиной зоба у животных и человека является недостаток йода, при избытке селена появляется ядовитая селеновая флора. По генезису выделяют два вида геохимических провинций.

Первые приурочены к определенным почвенным зонам и определяются недостатком того или иного элемента. Этот тип провинций имеет преимущественно негативный характер и проявляется в угнетении экосистем. Например, для подзолистых и дерново-подзолистых почв Северного полушария Евразии типичен недостаток йода, кальция, меди и кобальта и более высокий уровень ряда заболеваний, которые не встречаются в соседней черноземной зоне. Причина лежит в подвижности ионов. Перечисленные элементы легко вымываются из подзолистых почв. Подобный процесс характерен и для Южного полушария. Распространенными заболеваниями, связанными с дефицитом микроэлементов в питьевой воде, являются эндемический зоб (недостаток йода), кариес (недостаток фтора), железодефицитные анемии (недостаток железа и меди).

Второй тип провинций встречается в любой зоне и возникает на фоне развития ореолов рудного вещества месторождений, солености вулканических эманаций и т.п. Этот тип провинций и эндемий носит преимущественно, но не обязательно, позитивный характер, поскольку связан с избытком тех или иных элементов

Следует отметить, что большое значение имеет форма нахождения химического элемента. Наиболее сильную реакцию вызывают растворимые соединения. Так повышенное содержание молибдена вызывает у животных заболевания только в районах со щелочными почвами. В районах с кислыми почвами избыток молибдена заболеваний не вызывает, так как в этом случае не образует растворимых соединений.

6.3.2. Экологические проблемы городов[Г.А.2]

В городах проживает 40% населения планеты. Быстро растут городские агломерации. Таковы Вашингтон – Бостон в США, города Рура в Германии, Москва, Донбасс и Кузбасс в СНГ. Потребление энергии в городах значительно выше, чем в сельской местности. Средняя плотность естественного потока энергии Земли – 180 Вт/м², доля антропогенной энергии в нем - 0.1 Вт/м². в городах она возрастает до 30-40 и даже до 150 Вт/м².Чрезмерная концентрация населения, транспорта и промышленных предприятий порождает широкий круг острых проблем.

Над крупными городами атмосфера содержит в 10 раз больше аэрозолей и в 25 раз больше газов. При этом 60-70% газового загрязнения дает автомобильный транспорт. Более активная конденсация влаги приводит к увеличению осадков на 5-10%. Самоочищению атмосферы препятствует снижение на 10-20% солнечной радиации и скорости ветра.

Потребление воды в расчете на 1 человека в 10 и более раз выше, чем сельских районах. Объемы сточных вод достигают 1м² на человека в сутки. Ближайшие водоемы загрязнены, водных ресурсов часто недостаточно. Водоносные горизонты под городами интенсивно эксплуатируются и загрязнены на значительную глубину,

Коренному преобразованию подвергаются ландшафты. На больших площадях почвенный покров уничтожается. Выравнивание рельефа и подсыпки грунта меняют режим природных стоков, что приводит в 70% городов к повышению уровня грунтовых вод.

Существенное влияние города оказывают на пригород. Ореолы загрязнения распространяются на 30–50 км от границы городов.

Оценки ресурсов, необходимых для промышленности, транспорта и населения, объемов выбросов в атмосферу, промышленных и бытовых стоков и отходов, которые приведены ниже, сделаны для условного город с населением 1 млн чел и площадью 300 км², в котором представлены основные виды промышленности [40].