Тема: принципы и методы экологического нормирования Вопросы

1. Задачи и принципы экологического нормирования

2. Основные нормативные требования к природным средам

3. Экологическая стандартизация в Беларуси

4. Математическое моделирование как средство выработки допустимой экологической нагрузки

5. Оценка риска

Существует три подхода к нормированию антропогенных нагрузок: экологическое (глобальный подход), санитарно-гигиеническое (уста­навливает нагрузки на человека), производственно-хозяйственное (ус­танавливает нормативы, производные от санитарно-гигиенических и экологических).

Экологическое нормирование определяет научно обоснованные нормы допустимых нагрузок на популяцию, сообщество, экосистему, регион и устанавливает границы антропогенного воздействия на ок­ружающую среду. Экологическое нормирование принципиально от­личается от санитарно-гигиенического нормирования. Во-первых, са­нитарно-гигиенический подход предусматривает очень жесткий кри­терий - отсутствие в настоящем и будущем каких-либо отклонений состояния человека от нормы и предусматривает обязательную защи­ту и безопасность каждого человека. С точки же зрения защиты эко­систем, потеря отдельной особи не является опасной при условии со­хранения стабильности системы, ее разнообразия, продуктивности. Во-вторых, санитарно-гигиенические нормативы устанавливаются по человеку и далеко не всегда и не в равной мере обеспечивают защиту других объектов живой природы - организмов, популяций, экосистем. Например, атмосфера загрязнена двуокисью серы. В условиях дли­тельного воздействия этого широко распространенного токсиканта при его концентрациях в воздухе, не превышающих ПДК для челове­ка, происходит повреждение таких чувствительных к загрязнению объектов, как лишайники и хвойные деревья. Некоторые почвенные организмы при определенных уровнях загрязнения нефтью или тяже­лыми металлами могут сильно пострадать, в то время как сельскохо­зяйственная продукция (молоко, мясо, зерно, овощи и др.) по сани­тарным нормам вполне пригодны для потребления человеком.

Подавляющее большинство ПДК, которыми оперируют в природо­охранной деятельности, - это санитарно-гигиенические нормативы.

Работа по экологическому нормированию включает следующие этапы:

1. Оценка реального качества среды и определение требований к нему, исходя из категории, к которой относится конкретная экосистема (заповедная, урбанизированная и др.);

2. Определение степени устойчивости и экологического резерва системы;

3. Выработка нормативов допустимых воздействий и нагрузок на систему.

Суть первых двух этапов изложена в предыдущей главе. Рассмот­рим заключительный этап процесса экологического нормирования.

Основным нормативом, регламентирующим уровень антропоген­ного воздействия, является показатель предельно допустимых концен­траций загрязняющих веществ в природных средах (ПДК). Сущест­вуют также стандарты интенсивности шумового загрязнения, вибра­ции, электромагнитных полей и радиоактивности.

Остановимся подробнее на основном нормативе - ПДК. Это верх­ний предел концентраций загрязняющих веществ в среде, которые при постоянном контакте или при длительном воздействии не приводят к отклонению от нормы как в настоящем, так и в будущем.

Выражается ПДК в единицах массы на единицу объема воздуха, воды или на еди­ницу массы почвы или грунтов другой природы.

В качестве нормати­вов применяют также ориентировочные безопасные уровни воздейст­вия (ОБУВ), ориентировочные допустимые концентрации (ОДК) и временно допустимые концентрации (ВДК).

Эти показатели следует рассматривать как приближенные, временные, которыми обычно пользуются до установления ПДК.

Система санитарно-гигиенических норм ПДК загрязняющих ве­ществ в природных средах разработана давно. Установление же ПДК при воздействии загрязняющих веществ на популяции и экосистемы начато сравнительно недавно. Так, установлены ПДК для рыбохозяйственных водоемов для популяций рыб, имеющих промысловое зна­чение. Совсем недавно приступили к нормированию воздействия на лесные экосистемы.

Существует два основных метода определения ПДК:

• эксперимен­тальный

• расчетный.

Экспериментальный метод используют в ос­новном для установления санитарно-гигиенических норм ПДК. Устанавливаются санитарно-гигиенические нормативы на основе стандар­тизированных исследований и обследований органами Минздрава, ут­верждаются на различных уровнях и возводятся в ранг закона. В Рес­публике Беларусь санитарно-гигиенические нормативы утверждаются совместно Министерством природных ресурсов и охраны окружаю­щей среды и органами санитарного надзора Минздрава.

ПДК устанав­ливаются по принципу тестирования на подопытных животных в хро­ническом эксперименте. Определяются пороговые концентрации, а также летальные концентрации или дозы (ЛК₅₀ или ЛД₅₀), при кото­рых наблюдается гибель половины подопытных животных. Устанав­ливается ряд других токсикологических характеристик. Эти данные необходимы для определения класса опасности вещества, используе­мого при обосновании системы профилактических мероприятий.

Расчетный способ применяют для определения ОБУВ, ОДК, ВДК. Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ для по­пуляций, экосистем определяют, как правило, также расчетным путем на основании построения математических моделей различного типа.

Нормативы качества окружающей среды включают в себя три по­казателя:

1. медицинский - пороговый уровень угрозы здоровью человека;

2. экономический - способность экономики обеспечить выполне­ние установленных пределов воздействия на человека и среду его обитания;

3. научно-технический - уровень научного обоснования пределов воздействия и способность техническими средствами контролиро­вать соблюдение этих пределов по всем параметрам.

Очевидно, что чем выше экономический и научно-технический уровень развития общества, тем больше существующие нормативы качества окружающей среды соответствуют потребностям человека.

В основу выработки экологических норм положены следующие фундаментальные принципы:

---- Экологические нормы не могут быть едиными для экосистем различных категорий (уникальных, заповедных, урбанизированных и др.). Этот принцип вытекает из различных требований к качеству сре­ды в уникальных, урбанизированных и других экосистемах.

---- Экологические нормы должны разрабатываться с учетом структурно-функциональных особенностей конкретных экосистем, регионов. Это объясняется тем, что судьба загрязняющих веществ в значительной степени определяется особенностями экосистемы (как биотической, так и абиотической составляющей ее), в которую они попадают. Поэтому особенно большое значение в экологическом нор­мировании приобретает комплекс работ по изучению характера и за­кономерностей распространения, накопления, деструкции, биоакку­муляции и трофических превращений загрязняющих веществ, их трансформации в экосистемах, перехода из одной среды в другую, из одного блока экосистемы в другой. Необходимо установить, сущест­вуют ли критические звенья в экосистеме. Например, ассимиляцион­ная емкость водной среды по отношению к различным загрязняющим веществам очень сильно зависит от самоочистительного потенциала экосистемы, в основе которого лежат процессы продукции, деструк­ции, минерализации, биоседиметации и др. От интенсивности этих процессов зависит величина допустимой антропогенной нагрузки на систему, что должно учитываться при экологическом нормировании. Важную роль также играет степень проточиости, морфометрические и гидрологические характеристики.

---- Экологическое нормирование для популяций и экосистем должно проводиться с учетом множественных путей воздействия загряз­няющих веществ. Это означает, что при экологическом нормировании должны учитываться эффекты химического и биологического накоп­ления вредных веществ в недопустимо высоких концентрациях в ре­зультате их перехода в другие среды, например, из воздуха в воду, из воды в биоту и т. д. Также должно учитываться накопление поллютантов в пищевых цепях, превращение при миграции в более токсич­ные формы.

Имеющиеся в настоящее время санитарно-гигиенические нормы определяют предельно допустимые для человека концентрации вред­ных веществ в конкретной среде: атмосферном воздухе, питьевой во­де, почве. В этих нормах перечисленные эффекты не учитываются или учитываются только частично.

Возможна следующая ситуация. При выбросе загрязняющих ве­ществ из достаточно высоких источников (высокие трубы) их концен­траций в результате рассеяния быстро достигают в приземном слое воздуха существующих допустимых норм. Однако в дальнейшем, в результате химических превращений и накопления (после осаждения на растительность, почву или вымывания в реки и озера), их относи­тельная токсичность и потенциальная опасность для многих организ­мов и человека возрастают. В таких случаях необходимо определение конечного распределения поллютантов между различными средами и определение критической, или, как чаще ее называют, лимитирующей среды, откуда поступление их в организм человека, животных и рас­тений сопровождается наибольшим вредным эффектом. Указанное распределение зависит, с одной стороны, от физико-химических ха­рактеристик поллютантов, а с другой - от климатических, физико-географических и других местных условий, а также от конкретных особенностей природных сред.

Рассмотрим конкретные примеры. Наглядно иллюстрируют необ­ходимость учета множественных путей воздействия поллютанта слу­чаи с загрязнением среды двуокисью серы, соединениями ртути и пес­тицидами. Все эти вещества опасны, широко распространены и харак­теризуются множественными путями воздействия на человека и биоту. Кроме того, эти антропогенные загрязнители существенно разли­чаются по «времени жизни» в природной среде.

Пример 1. Атмосфера загрязнена двуокисью серы (SО₂). Это «ко-роткоживущий» загрязнитель. «Время жизни» в атмосфере из-за хи­мических превращений составляет всего порядка нескольких часов. В связи с этим возможность загрязнения и опасность воздействия непо­средственно двуокисью серы носят, как правило, локальный характер. Кроме химического превращения, S0₂ выводится из атмосферы в ре­зультате вымывания осадками и абсорбции подстилающей поверхно­стью. Однако главный путь выведения - химические превращения. Двуокись серы легко окисляется до серного ангидрида (S0₃). В жид­кой фазе это приводит к образованию серной кислоты (H₂S0₄). Реак­ция окисления S0₂ идет чрезвычайно быстро. В только что выпавших осадках соединения серы в основном представлены серной кислотой или ее солями, образующимися при химических реакциях различных примесей с серной кислотой. Сульфаты являются устойчивыми со­единениями. После испарения капель в атмосфере сохраняются аэро­зольные частицы, состоящие из сульфатов. Эти частицы выводятся из атмосферы путем вымывания и осаждения (мокрое и сухое осаж­дение).

Все перечисленные соединения серы токсичны. Двуокись серы уг­нетает рост растений, вызывает заболевания органов дыхания челове­ка и животных. Влияние на органы дыхания человека проявляется при хроническом воздействии концентраций 100 мкг/м³. Очень чувстви­тельны к воздействию S0₂ мхи и лишайники, поражение хвои сосен начинается уже при концентрации 20 мкг/ м³, листвы деревьев лист­венных пород - при концентрации 100 мкг/м³. Однако гораздо сильнее действуют продукты превращения двуокиси серы (в данном случае она выступает как триггер). Действие сульфатов начинает проявляться при концентрации 6 мкг/м³, а при концентрации 10-12 мкг/м³ наблю­дается повышение респираторных заболеваний у человека до 30 %.

Кроме перечисленных прямых эффектов на животных и раститель­ность, необходимо подчеркнуть серьезные негативные эффекты, к ко­торым приводит воздействие серной кислоты, - это закисление почв и воды пресных водоемов, ускорение коррозионных процессов метал­локонструкций, разрушение конструкций из известняка. Закисление почв и воды водоемов также отрицательно влияет на растительный и животный мир. Так, в результате дальнего переноса соединений серы многие реки и озера Норвегии и Швеции к настоящему времени поте­ряли рыбопромысловое значение. При закислении озер бурно разви­ваются зеленые нитчатые водоросли. Плодородие почв при закисле­нии резко снижается. Особенно сильно этот эффект проявляется в зо­нах кислых почв. Таким образом, действие соединений серы весьма многогранно и достаточно токсично. Из вышеизложенного очевидно, что проблема, возникающая в результате эмиссии двуокиси серы в атмосферу, является комплексной, и нормирование выбросов двуоки­си серы и ее содержания в атмосфере необходимо проводить с учетом всех описанных эффектов. Недостаточно разрабатывать нормирова­ние S0₂ исходя лишь из санитарно-гигиенических норм предельно допустимых концентраций S0₂ в атмосфере.

Пример 2. Эмиссия в атмосферу соединений ртути. Это пример с «долгоживущим» поллютантом. Именно на этом примере особенно ярко видно, как при выбросах в одну среду (атмосферу) лимитирую­щей является другая среда (поверхностные воды). При миграции и трансформации в водной среде ртуть накапливается в виде высоко­токсичных органических соединений в гидробионтах, причем коэф­фициент накопления может быть весьма высоким. Даже очень не­большие количества ртути в форме органических соединений приво­дят к уменьшению фотосинтеза фитопланктона. В Японии известны случаи отравления людей при употреблении в пищу рыбы и других морепродуктов. В литературе есть сведения, что выброс ртути, приво­дящий повсеместно в большом регионе к концентрациям, соответст­вующим ПДК, ртути в атмосфере, в воде пресноводных водоемов соз­дает концентрации, в 30 раз превышающие предельные значения, обеспечивающие безопасность потребления рыбы в пищу. Важно от­метить, что в связи с очень протяженным по времени периодом перехода ртути из почвы в водоемы (сотни лет) наблюдается большая инерционность нарастания концентраций ртути в воде этих водоемов (даже после прекращения выбросов в атмосферу) и затем очень мед­ленный спад (особенно в малопроточных водоемах).

Пример 3. Пестициды. Опасность пестицидов обусловлена как их прямым токсичным и генетическим действием, так и вторичным эф­фектом, связанным с нарушением биологического равновесия в эко­системах. Этот эффект особенно выражен для устойчивых пестицидов (в основном хлорорганических соединений), которые накапливаются в органах животных, завершающих трофические цепи, даже при весьма небольшом содержании этих веществ в природных средах, что уже привело к гибели и деградации некоторых популяций. Задача заклю­чается- в определении конечного распределения пестицидов между различными средами и определении критической среды, откуда по­ступление их в организмы человека, животных и растений сопровож­дается наибольшим вредным эффектом. Судьба внесенных в почву пестицидов сильно зависит от физико-географических и других мест­ных условий. Это хорошо видно на примере отдельных районов Сред­ней Азии, где широко применяли пестициды, а местные условия спо­собствовали их распространению и перераспределению.

Множественность путей воздействия загрязняющих веществ иллю­стрирует рис. 2.

Рис. 2. Схема распространения загрязнений в природных средах и б йоте (по: Ю. А. Израэль, 1984)

Экологическое нормирование должно учитывать эффект сум­марных вредных воздействий. Как правило, на организм или экосисте­му воздействует не один какой-либо загрязнитель. Чаше всего в среде (воздушной, водной, в почве) одновременно присутствует несколько загрязнителей, некоторые из них могут оказывать сходное неблагоприятное воздействие. В этом случае говорят об эффекте суммации вредного действия. Существуют специальные перечни веществ, для которых необходим учет эффекта суммации.

Рассмотрим следующий простой пример. Согласно общему прави­лу, С/ПДК < 1,

где С - фактическая, а ПДК - предельно допустимая концентрация поллютанта в воздухе.

Допустим, что в воздухе одно­временно присутствуют пары фенола и ацетона, для которых известен эффект суммации. Концентрации их составляют: Са„ет. = 0,345 мг/м³; Сфен, = 0,009 мг/м³; соответствующие ПДК равны 0,35 и 0,01 мг/м³. Та­ким образом, оба вещества присутствуют в концентрациях, сущест­венно меньших, чем установленные для них ПДК. В каждом отдель­ном случае отношение фактической концентрации к предельно допус­тимой меньше единицы. Однако эти вещества обладают эффектом суммации, и их суммарная концентрация (0,345+0,009 = 0,354) выше, чем любая из ПДК, установленных для каждого вещества в отдельно­сти. Следовательно, загрязнение воздуха превышает допустимое.

Если в воздухе присутствует несколько веществ, обладающих эф­фектом суммации, то качество воздуха будет соответствовать уста­новленным нормативам при условии, что:

С/ПДК, + С/ПДК, + ... + Сп/ПДКп < 1,

где С, С, •••, С - концентрации вредных веществ, обладающих эф­фектом суммации. Это означает, что в воздухе сумма отношений фак­тических концентраций к ПДК веществ, обладающих эффектом сум­мации, не должна превышать 1.

Особое внимание при экологическом нормировании должно уделяться устойчивым загрязнителям, обладающим эффектом кумуляции. Отдельные устойчивые загрязнители представляют особую опасность из-за накопления их в пищевых цепях, что может привести к вредному воздействию на высоких трофических уровнях. К таким веществам относятся хлорорганические соединения, среди которых - печально известный пестицид ДДТ, вещества, входящие в состав не­ которых смазочных материалов, гидравлических жидкостей, синтетических смол и других широко применяемых материалов. Кумулятивным эффектом обладают также некоторые тяжелые металлы (напри­мер, ртуть, свинец), радионуклиды.

В качестве примера можно привести кумуляцию ДДТ по пищевым цепям в водной среде. При концентрации ДДТ в воде 0,0000003 мкг/л содержание его в фитопланктоне составляет 0,04, в зоопланктоне -0,20, в мелкой рыбе - 2,00, а в рыбоядных птицах - 20,00 мкг/кг. Ак­тивно накапливаются на верхних уровнях пищевых цепей и поли-хлорбифенилы (ПХБ). ПХБ входят в состав смазочных материалов, синтетических смол, гидравлических жидкостей и попадают в окру­жающую среду при их сбросе на свалки и неполном сгорании. Рано или поздно ПХБ попадают в водную среду, где они обладают высокой миграционной активностью. Коэффициенты накопления ПХБ водны­ми беспозвоночными и рыбами достигают 10³ – 10⁵ (по сравнению с содержанием в водной среде), птицами и млекопитающими, связан­ными с водной средой, - 10⁷-10⁸. Показателен также пример кумуля­ции по пищевым цепям радиоизотопа цезия. Коэффициент накопле­ния ¹³⁷ Cs в хищной рыбе достигает 10⁵.

Санитарно-гигиенические нормы в. их современном виде право­мерны главным образом для условий городов, населенных пунктов, мест водопользования, т. е. для тех объектов, в которых вторичные природные процессы являются несущественными. При оценке воз­действия вредных веществ на экосистемы оказывается, что именно эти, не имеющие большого значения для санитарно-гигиенического нормирования «вторичные» эффекты, приобретают важную, а зачас­тую и решающую роль. Нередко определяющей является не первона­чальная концентрация вредных веществ в какой-либо среде, а их на­копление и трансформация в критических звеньях экосистемы или в лимитирующих средах, в результате чего наблюдаются иные концен­трации и вторичные продукты с иными токсичными свойствами.

Для выработки допустимых экологических нагрузок, разработки систем мониторинга необходимо использовать модели с учетом ско­рости переноса, разложения, биоаккумуляции и химических превра­щений. В эти модели должны включаться источники загрязнений, пу­ти перемещения и влияния загрязнителей в региональных и глобаль­ных масштабах.

Таким образом, только изучение судьбы загрязняющего вещества от источника его выброса (через процессы его физических, химиче­ских и биологических превращений и взаимодействий с другими раз­нообразными факторами окружающей среды) до попадания в живой

организм и воздействия на него может обеспечить разработку научно обоснованных экологических норм допустимых воздействий на жи­вую составляющую биосферы, экосистемы в целом.

Среди свойств, учитываемых в рейтинге и нормировании загрязни­телей (поллютантов), решающее значение имеют следующие показа­тели:

1. Синергизм - способность усиливать эффект при совместном дей­ствии различных загрязнителей. Так, известно немало случаев, когда воздействие загрязняющего вещества в пределах научно обоснованных и официально утвержденных норм приводило к серьезным отри­цательным последствиям. По-видимому, проявляются совместные эффекты поллютной среды, долгодействия, генетических особенно­ стей и иммунного статуса населения. Немаловажное значение имеют и культурно-бытовые традиции населения.

2. Триггерность - способность запускать цепные процессы, результаты которых несопоставимы по масштабам с начальным воздействием. Так, парниковый эффект СО₂ привлекает внимание главным образом как триггер процессов, которые могут привести к неблагоприятному перераспределению атмосферных осадков и повышению уровня

мирового океана.

3. Устойчивость - способность долгое время сохраняться (накап­ливаться) в среде воздействия. Этот параметр имеет решающее значе­ние в первую очередь для пестицидов, среди которых предпочтение отдается менее устойчивым разновидностям.

4. Ксенность - чужеродность загрязнителя по отношению к среде, в которую он попадает. Этот параметр в значительной степени опре­деляет характер взаимодействия между загрязнителем и экосистемой. Чем выше ксенность, тем более вероятно отрицательное воздействие.