Книга: Современное состояние биосферы и экологическая политика

9.2. Виды и краткая характеристика загрязняющих веществ

9.2. Виды и краткая характеристика загрязняющих веществ

Кроме разрушения естественной среды обитания, другой важнейшей причиной вымирания является загрязнение. Источники загрязнения многообразны. Воздействие их на здоровье человека крайне отрицательно. Это и рост уродств, сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний, формирование иммунодефицита и иммуноаутоагрессивных заболеваний, стимуляция размножения и роста численности вредных организмов и т. д. Каковы же характеристики загрязнителей биосферы?

В середине ХХ в. резко обострились проблемы, связанные с химическим загрязнением биосферы, нередко приводящие к острым токсико-экологическим ситуациям. Как следствие, это вызвало:

? расширение исследований масштабов и темпов загрязнения окружающей среды;

? поиск эффективных приемов охраны атмосферы, природных вод, почвенного покрова;

? изучение влияния вредных загрязняющих веществ на здоровье человека и возможностей предотвращения их отрицательного влияния.

Принято считать (Тупикин, 2002, с. 279), что вещества, ухудшающие качество окружающей среды, называются загрязнителями, а поступление их в среду – загрязнением природной окружающей среды. Говоря о втором, следует остановиться на загрязнении атмосферы, которое имеет и естественное, и искусственное происхождение.

Среди естественных факторов выделяются:

а) внеземное загрязнение воздуха космической пылью и космическим излучением;

б) земное загрязнение атмосферы при извержении вулканов, выветривании горных пород, пыльных бурях, лесных пожарах, выносе морских солей (Кормилицын и др., 1997, с. 174).

Искусственное загрязнение атмосферы бывает радиоактивное, электромагнитное, шумовое, дисперсное, газообразное и химическое, вызываемое соответствующими отраслями промышленности.

Как основные определены три источника загрязнения атмосферы: промышленность, бытовые котельные и автотранспорт. Главная доля загрязнителей приходится на бытовые котельные и автотранспорт, они же являются главной причиной образования опасных температурных инверсий над городами. При наличии высоких заводских труб бпольшая часть промышленных выбросов пробивается через инверсионную «крышку» в верхние слои, где происходит перемещение воздушных масс. Коммунальные котельные, а еще больше автотранспорт загрязняют нижние, приземные слои атмосферы и поэтому во всех случаях способствуют накоплению вредных газов в воздухе.

К вредным выбросам, загрязняющим атмосферу, относятся атмосферная пыль, газы и пары, которые прямо или косвенно отражаются на условиях жизни человека. Находящиеся в воздухе пыль и аэрозоли, как правило, не вступают в какие-либо особые химические реакции, но в сочетании с другими факторами могут нанести существенный ущерб здоровью человека.

Пыль и аэрозоли

Под атмосферной пылью понимают взвешенные в воздухе твердые частицы с диаметром более 1 мкм. Эти частицы трудно классифицировать химически, т. к. они могут представлять собой как частицы кварца, так и органические материалы самого различного происхождения. Атмосферная пыль в основном имеет минеральное происхождение, но состав может меняться с изменением источников ее образования: здесь могут преобладать соединения щелочных и щелочноземельных металлов, тяжелые металлы, углеводороды и, наконец, споры растений.

Аэрозоли представляют собой коллоидные системы, в которых дисперсионной средой служит, как правило, воздух. Диаметр частиц лежит в пределах 0,1–0,001 мкм. В отличие от пыли аэрозоли содержат не только твердые, но и жидкие частицы. Жидкие капельки могут содержать и растворенные в них вещества.

Атмосферная пыль и дымы антропогенного происхождения образуются в результате промышленных выбросов; сажа и дымы – при сжигании топлива в промышленных, бытовых и транспортных котельных установках; ряд химических продуктов – при взаимодействии газов. Таким образом, выделение пыли антропогенного происхождения максимально в отопительный зимний период.

Пыль и аэрозоли могут нанести значительный ущерб человеческому организму, разрушая здоровье людей как прямым, так и косвенным образом.

Атмосферная пыль и аэрозоли ослабляют солнечное излучение в результате рассеяния, отражения и поглощения лучей. При этом сокращается доля ультрафиолетового излучения, необходимого для поддержания физиологической активности. Ультрафиолетовые лучи, наряду с поддержанием нормальной температуры человеческого тела, необходимы для образования кальциферолов (витамина D₂ и D₃). Суточная потребность в витамине D составляет для взрослых 100 МЕ (2,5 мкг). Она повышается при малой солнечной инсоляции (зимой), а также при работе под землей (шахтеры). Это связано со снижением превращения в витамин D₃ провитамина 7-дегидрохолестерина, содержащегося в коже, которое происходит под влиянием ультрафиолетовых лучей (Павлоцкая и др., 1989, с. 128–129). При длительном дефиците кальциферола у взрослых развивается остеопороз – разрежение костей. Кости становятся хрупкими из-за вымывания из них солей. Ранними признаками D-витаминной недостаточности является раздражительность, плохой сон, потливость, потеря аппетита.

Уменьшение доли УФ-излучения, прежде всего в городах, приводит к ослаблению стерилизующего действия ультрафиолетовых лучей на микроорганизмы и, соответственно, к повышению возможности возникновения инфекционных заболеваний. Характерно, что, вследствие почти полного отсутствия пыли и бедности паров в воздухе, атмосфера тундры богата ультрафиолетовыми лучами, что является одной из причин почти полного отсутствия болезнетворных микробов (Кузякин, 1962, с. 98–99).

Особенно опасна способность мелкой пыли служить абсорбентом для ядовитых веществ. Иначе говоря, тонкая пыль может связывать на поверхности своих частиц токсичные вещества, имеющиеся в среде, например SO₂ или канцерогенные углеводороды, и проносить их в организм. Наиболее опасные компоненты пыли: мышьяк, кадмий, свинец, селен, ртуть, ванадий, асбест.

Таким образом, пыль оказывает существенное влияние на человека, причем это проявляется в различных формах, и многие отдельные компоненты пыли и аэрозолей могут вызвать ряд специфических заболеваний. Особое место в этом явлении занимают пыльные бури. Данное явление является особо опасным для сельского хозяйства. Оно возникает за счет влияния природных и антропогенных факторов.

Причиной возникновения пыльных бурь является сильный ветер (более 10 м/с), иссушенность и распыленность верхнего слоя почвы, отсутствие или слабое развитие растительного покрова на полях, наличие больших открытых пространств. Именно эти важные элементы природной среды в настоящее время как раз и стали объектом разрушительной деятельности человека.

Оксид углерода

Оксиды углерода и газообразные углеводороды поступают в атмосферу вследствие работы промышленных предприятий и объектов коммунального хозяйства, а также за счет эмиссии этих соединений целинными и пахотными почвами (Лозановская и др., 1988, с. 74–78).

Окись углерода, или угарный газ, – главная составная часть выхлопных газов автомашин. Однако он образуется и при сжигании угля. Угарный газ бесцветный, не имеющий запаха, неощутимый, возникает при неполном сгорании органических соединений. Это одно из наиболее токсичных веществ, загрязняющих атмосферу. Он может активно взаимодействовать с гемоглобином крови и уже при очень низкой концентрации снижает ее способность переносить кислород. Это приводит к кислородному голоданию тканей. Содержание CO в воздухе около 0,001 % вызывает головную боль, головокружение, снижение умственной деятельности и расстройство ряда физиологических функций организма. Чем больше СО содержится в воздухе, тем больше гемоглобина связывается с ним, и при повышенных концентрациях этот газ становится для человека смертельно опасным.

Диоксид углерода (или углекислый газ) – бесцветный газ со слабокислым запахом и вкусом. В атмосферном воздухе его содержится 0,03 %. Но за последние сто лет содержание углекислого газа в воздухе стало возрастать (до 14 %). Причиной этому служит неконтролируемая (хищная) вырубка лесов, а также увеличивающиеся с каждым годом выбросы СО₂ за счет сжигания органического топлива. Согласно оценкам (Лозановская и др., 1998, с. 76), в атмосферу добавляется более (30–40) 10⁹ т СО₂.

Продолжающийся рост содержания углекислого газа в воздухе может привести к угнетению дыхания живых организмов, а в глобальных масштабах – к потеплению климата, т. е. к парниковому эффекту.

Углеводороды – органические соединения, состоящие из углерода и водорода. Многие из них имеют огромное значение для техники – используются в качестве топлива (например, природный газ, пропан, бензин и др.). Примерно 95 % выбросов углеводорода приходится на северное полушарие (Лозановская и др., 1998, с. 76). Особое место занимают непредельные углеводороды этиленового ряда, в частности, гексан и пентен. Углеводороды образуются при сгорании карбюраторного горючего (при работе как бензинового двигателя, так и дизельного мотора) и в небольшом количестве при сжигании угля. Из-за неполного сгорания топлива в двигателе автомашины часть углеводородов превращается в сажу, содержащую смолистые вещества. Выхлопные газы автомобилей содержат также полициклические углеводороды, в частности, бензапирен. На поверхности мельчайших дымовых частиц он попадает в легкие и откладывается там. Как и другие углеводороды, он канцерогенен. Длительное вдыхание даже низких концентраций этого вещества может привести к раку, чаще всего – легких.

Соединения углерода играют важную роль в круговороте веществ в природе, но, несмотря на это, их высокие концентрации оказывают отрицательное действие на живые организмы, в частности на человека.

Диоксид серы

Сера – биогенный элемент, необходимый для живых организмов. Но в настоящее время значительным источником серы стали техногенные выбросы промышленных предприятий.

Диоксид серы (SO₂) составляет более 95 % всех техногенных выбросов серосодержащих веществ в атмосферу (Лозановская и др., 1998, с. 50). Диоксид серы антропогенного происхождения образуется при сжигании угля и нефти, при различных химических технологических процессах. Большая часть выбросов SO₂ связана с энергетикой и промышленностью.

Двуокись серы – бесцветный, остро пахнущий газ, раздражающий дыхательные пути человека и способствующий внедрению туда инфекций. Соединяясь с влагой атмосферы, двуокись серы образует агрессивные кислоты (H₂SO₃), вредящие здоровью человека. В тяжелых случаях может возникнуть отек легких. При длительном воздействии SO₂ пропадает чувствительность к запахам и вкусам.

Опасность для человека двуокиси серы заключается в том, что если она присутствует в воздухе вместе с тонкой пылью, то пылинки вместе с SO₂ могут проникнуть в дыхательные пути. Комбинация двуокиси серы с пылью при очень высоких концентрациях вызывает смерть от удушья.

Итак, диоксид серы может оказать прямое токсическое действие на живые организмы. Его реакционная способность значительно выше, чем у углекислого газа. Выбросы SO₂ в биосферу оказывают существенное влияние на здоровье человека.

Оксиды азота

Азот – важнейший элемент, он входит в состав белков, нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, гемоглобина. Соединения азота играют большую роль в процессах обмена веществ, образования новых клеток. Он является важнейшим элементом питания растений. Запасы азота на планете огромны, основная их часть приходится на атмосферу. В осадочных породах земной коры (за счет деятельности палиобиосферы) накопилось около 6 10¹⁴ т азота, а в Мировом океане до 2 10¹³ т (Лозановская и др.,

1998, с. 57). В почве источником азота является гумус. В биосфере азот присутствует в газообразной форме, в виде N₂, NH₃, NO, NO₂ и соединений азотной и азотистой кислот и в других видах. Техногенные выбросы азота в воздушную среду в основном включают оксид азота NO и его диоксид NO₂.

Окислы азота – газообразные вещества, которые могут вырабатываться микроорганизмами, а кроме того, возникать в процессах горения, при высокой температуре – особенно в автомобильных двигателях, в топках электростанций, а также в химической промышленности. Попадая в атмосферу, техногенные окислы серы и азота, пройдя ряд промежуточных химических реакций, типа 4NO₂ + 2H₂O + O₂ > 4HNO₃, превращаются в кислоты и выпадают в виде кислотных дождей. Вследствие этого понижается оптимальная для жизнедеятельности наземных и водных организмов величина pH.

Роль монооксида и диоксида азота приходится оценивать совместно, т. к. в атмосфере эти газы встречаются только вместе. Окислы азота могут раздражать органы дыхания, особенно в том случае, если кроме них в воздухе присутствует двуокись серы и они действуют комплексно. Под действием этих газов могут утяжеляться уже имеющиеся заболевания дыхательной системы – бронхит, астма, и сильнее распространяются инфекции дыхательных путей

Повышенные концентрации оксидов азота должны рассматриваться как вещества, представляющие серьезную опасность для здоровья человека. Особенно подчеркнем, что допустимые нормы определены только для взрослого человека и не учитывают отрицательное действие этих газов на развивающийся организм ребенка. К тому же данные нормы не учитывают возможности комбинированного действия других вредных газов. Поэтому можно предположить, что загрязнение задерживает физическое и психическое развитие детей.

Тяжелые металлы

Этим термином обозначают в основном политропные яды, которые с относительно небольшой избирательностью накапливаются в разных органах и тканях и дают широкий спектр патологических симптомов. Ядовитое действие ионов тяжелых металлов в значительной мере связано с их способностью прочно соединяться с белками и нарушать нормальную работу ферментов и других биологически активных белковых веществ (Николаев, 1988, с. 114). Особую опасность для человека представляют измельченные (в виде пылевых частиц) формы тяжелых металлов. Попадая в легкие и бронхи, они вступают в те или иные соединения с клеточным содержимым и переходят в кровь. Наиболее опасными, даже в малых концентрациях, являются ртуть, свинец, кадмий, таллий, бериллий, стронций и другие металлы.

Ртуть в условиях производства может встретиться как в виде солей, так и в виде металла. Крайне опасны органические соединения ртути (этилмеркурхлорид и др.). Ртуть хорошо растворима в воде (Николаев, 1988, с. 115), а поэтому ее пары могут легко всасываться в легких и кишечнике. При отравлении ртутью в первую очередь страдают почки, т. к. ионы ртути энергично соединяются в организме с группами SH белков и прочно удерживаются в получившихся комплексах. Оказывается, что больше всего белков, богатых этими группами, содержится в почках. При отравлениях ртутью, кроме почек, страдают нервная система и другие органы человека.

Свинец относится к числу наиболее опасных ядовитых металлов – загрязнителей окружающей среды. Он поступает в атмосферу от промышленных предприятий и в результате неполного сгорания горючего в моторах автомобилей, работающих на бензине. Свинец содержится в красках, служащих антикоррозийными покрытиями. Он может выделяться из оцинкованной посуды (в цинке возможна примесь свинца), из глазури в керамической посуде, свинцового стекла, особенно при потреблении кислых блюд и напитков. Этот металл способен поражать систему кроветворения, нервную систему, печень, почки. Поступая в организм с водой, вдыхаемым воздухом или пищей, свинец образует соединения с органическими веществами. Многие из них нейтропны и способны вызвать энцефало– и нейропатии.

Отравление чаще всего носит хронический характер. Предельно допустимая концентрация свинца – 0,00001 мг/л. (Николаев, 1988, с. 117). Долгое время свинец может оставаться в головном мозге.

Таллий, попадая в организм, накапливается в волосах, костях, почках, мышцах. Выпадение волос – признак отравления этим металлом. Кроме этого поражаются желудочно-кишечный тракт, нервная система и почки.

Нельзя недооценивать действие на организм человека накапливающегося вблизи земной поверхности кадмия. Загрязнение организма человека кадмием происходит из продуктов питания, питьевой воды и воздуха. Этот металл используют в производстве аккумуляторов и для получения гальванических защитных покрытий на металлических деталях. Кадмий вытесняет кальций и замещает цинк в составе биомолекул, что приводит к нарушениям важных биохимических реакций. Накапливаясь в печени и почках, кадмий вызывает почечную недостаточность и другие нарушения. У детей хроническое отравление кадмием вызывает нейропатии и энцефалопатии. Кадмий способствует образованию желтоватого налета на зубах, повышает возможность возникновения рака легких.

Какова же география загрязнения регионов РФ?

На основании данных многолетних наблюдений (1982–1995) системы комплексного фонового мониторинга Росгидромета (СКФМ), среднегодовые значения концентрации свинца в атмосфере районов России составляют:

? 2,5-16 нг/м^З – для центральной части европейской территории России (ЕТР);

? 0,8-13,2 нг/м^З – для южных районов ЕТР;

? 1,5–4,4 нг/м^З – для Сибири;

? 5-19 нг/м^З – для Дальнего Востока.

В российском секторе Арктики фоновая концентрация свинца в воздухе составляет 0,23-3,8 нг/м³ (среднемесячные значения).

Пространственное распределение фонового содержания свинца в атмосфере неоднородно и в значительной степени определяется распределением его антропогенных источников на территории России. Фоновое содержание свинца в атмосфере (данные максимальных разовых, среднесуточных, среднемесячных и среднегодовых концентраций) не превышает значений предельно допустимых концентраций (ПДК).

Как правило, наиболее высокие концентрации свинца в фоновых районах наблюдаются в зимний период, что связано с дополнительными выбросами в атмосферу продуктов сжигания топлива. Неблагоприятные метеорологические условия в этот период года также способствуют накоплению свинца в нижних слоях атмосферы.

За последние 5 лет в большинстве районов России наблюдается уменьшение содержания свинца в атмосфере, что связано как с сокращением производства и, соответственно, выбросов свинца внутри страны, так и со снижением трансграничного переноса свинца вследствие сокращения потребления этилированного бензина за рубежом. Наиболее заметное снижение концентрации свинца в воздухе регистрируется в центральной части ЕТР.

Максимальный уровень загрязнения природных сред регистрируется в городах и промышленных центрах. Значения средних за 1989–1995 гг. концентраций свинца в атмосфере городов составили 0,01-0,5 мкг/м^З. Для большинства городов России среднегодовая концентрация свинца не превышала значений 0,1 мкг/м³.

Наиболее высокий уровень загрязнения воздуха свинцом, превышающий принятые в России нормы (ПДК – 0,3 мкг/м³), отмечался в 1994–1995 гг. в городах Комсомольск-на-Амуре, Тобольск, Тюмень, Карабаш, Владимир, Владивосток (до 0,5 мкг/м³).

Значения среднемесячных концентраций свинца в атмосфере отличаются большей изменчивостью по сравнению с данными его среднегодового содержания в воздухе. В 1995 г. в 29 городах России среднемесячные концентрации свинца превышали значения ПДК.

По данным 1995 г., средняя концентрация свинца в воздухе городов России составляет 0,07 мкг/м³.

Промышленные источники свинца обуславливают загрязнение обширных территорий за счет процессов дальнего атмосферного переноса загрязненных воздушных масс.

В целом, вследствие трансграничного переноса на европейскую территорию России (ЕТР) в 1991 г. из-за рубежа поступило более 3 тыс. т свинца.

Имеющееся информационное обеспечение не позволяет сделать такие же расчеты для азиатской части России. Однако предварительные оценки показывают, что поступление свинца из Китая в восточную зону и на Дальний Восток, а также из Казахстана на юг Западной Сибири составляет 2,5–3 тыс. т. При этом баланс трансграничного переноса свинца также положителен. Следовательно, ориентировочная величина суммарного поступления свинца на территорию России вследствие его трансграничного переноса может составить около 5–6 тыс. т в год. Содержание свинца в атмосферных осадках изменяется по территории России от 0,05 до 7,3 мкг/л (среднегодовые значения за 38 лет наблюдений). Наиболее высокое загрязнение осадков свинцом наблюдается в северозападном, центральном и южном районах ЕТР (4,5–7,3 мкг/л). В непромышленных районах Республики Саха (Якутия), Магаданской области, а также в российском секторе Арктики регистрируется самая низкая для территории России величина этого показателя (0,05-0,3 мкг/л).

Максимальное содержание свинца в атмосферных осадках регистрируется зимой, что обусловливается более высоким уровнем загрязнения воздуха в этот период.

Загрязнение осадков свинцом в городах и промышленных центрах значительно (до 10 раз) превышает соответствующие данные, полученные для фоновых районов.

Максимальные выпадения свинца регистрируются в северо-западном, центральном и южных районах ЕТР (2,9–4,6 кг/км). Это в 10-100 раз превосходит соответствующие значения в арктических районах России, Республике Саха (Якутия), Магаданской области.

В целом, концентрация свинца в различных регионах России составляет в среднем 2,5 мкг/л. Соотнеся эти концентрации с величинами атмосферных выпадений в отдельных регионах и их площадями, можно сделать вывод, что фоновые природные источники ответственны за поступление примерно 17 тыс. т свинца на всю территорию России.

Обобщение результатов наблюдений, выполняемых в рамках мониторинга по загрязнению снежного покрова, позволило определить объемы потоков свинца на подстилающую поверхность, которые составили 0,5-20 кг/км в год для большинства регионов России.

Результаты наблюдений свидетельствуют о зональном характере распределения плотности выпадений (нагрузок) свинца на поверхность. Минимальный уровень нагрузок характерен для северных и северо-восточных районов (0,05-1 кг/км² в год). Умеренный уровень нагрузок (1–3 кг/км² в год) регистрируется в западных районах России, центральной зоне Сибири, Забайкалье, на побережье Охотского моря и в Приморье. Повышенный уровень нагрузок свинца (3–5 кг/км² в год) характерен для районов Уральского региона, юга Сибири, Хабаровского края, Сахалина и Камчатки.

На ЕТР наиболее высокие нагрузки наблюдаются в Московской, Владимирской, Горьковской. Рязанской, Тульской и Ленинградской областях, а также в таком промышленном районе, как Таганрог-Шахты – Ростов-на-Дону.

Локальные аномалии высоких значений выпадений свинца (30-600 кг/км в год) отмечаются на территориях, прилегающих к крупным промышленным центрам черной и цветной металлургии. Зона влияния таких центров может составлять до нескольких сотен квадратных километров. Территории, прилегающие к городам с иными источниками поступления свинца в атмосферу, характеризуются значениями нагрузок от 5 до 20 кг/км² в год. В целом на территории России выпадает около 30 тыс. т свинца ежегодно, в том числе:

? выпадения за счет естественных источников свинца (фоновые) – ориентировочно 17 тыс. т;

? выпадения за счет трансграничного переноса свинца – около 6000 т;

? выпадения за счет российских источников – около 7000 т.

Возрастающие темпы изменения окружающей среды приводят к нарушению взаимосвязи между ней и человеком, снижению адаптационных возможностей организма.

Всемирная организация здравоохранения в 1968 г. основным критерием состояния природной среды определила здоровье населения.

На экологическое неблагополучие особенно остро реагирует детский организм. Увеличивается число хронических болезней детского возраста (аллергических, бронхиальнолегочных, сердечно-сосудистой системы, болезней почек, печени, крови и т. д.). Высокий уровень загрязнения приводит к дефициту кислородного обеспечения организма, в первую очередь, детского, что сказывается на нормальной деятельности всех его систем, особенно нервной системы.

Таким образом, можно сделать вывод, что загрязнение воздуха влияет на все важнейшие системы организма человека: центральную и периферическую нервную систему, кроветворение, внутреннюю секрецию. Загрязнение влияет на репродуктивную функцию, способствует возникновению злокачественных опухолей, нарушению наследственного аппарата. Действие загрязняющих веществ на организм взрослого человека изучено достаточно хорошо, но ведь детский созревающий организм гораздо более чувствителен к воздействию загрязнения. У детей 6-летнего возраста значительную проницаемость имеет гематоэнцефалический барьер – мощный защитный фактор, препятствующий проникновению вредных веществ в мозг. В результате нарушаются тонкие биохимические процессы, и в связи с этим может возникнуть задержка или отклонение в развитии центральной нервной системы, что создает трудности при поступлении в школу (Борисова и др., 1986, с. 89–106; Колесник, Корсунов, 1990, с. 194–196).