5.2. Биологическое воздействие загрязнителей

Воздействие на живые организмы загрязняющих веществ различно.

Общее название загрязняющих веществ, способных нанести вред здоровью человека или окружающей среде, поллютанты (лат. pallution  марание).

Токсикант (греч. toxikon  яд)  ядовитые вещества, оказывающие вредное воздействие на организм человека, животных и растений.

Ксенобиотики тоже яды, но полностью синтезированы человеком. Аллергены (греч. allos  другой, ergon  действие)  это загрязнители-раздражители, вызывающие реакцию организма в виде гиперчувствительности немедленного или замедленного типа. Различают экзоаллергены  это аллергены, попадающие в организм человека из внешней среды, и аутоаллергены, т.е. аллергены, являющиеся тканями самого организма. Экзоаллергенами могут быть агенты как инфекционного происхождения, например, вирусы, микробы, так и неинфекционного, например, пыльца растений, комнатная пыль и т.д. Аутоаллергенами могут быть, например, ткани щитовидной железы, хрусталика глаза и другие.

Мутагены (лат. mutatio  изменение, греч. genos  происхождение)  это загрязнители, вызывающие внезапные новые наследственные признаки, обусловленные изменениями клеточных структур.

Тератогены (греч. teratos  урод, genos  происхождение)  загрязнители, вызывающие отклонения от нормального строения организма, врожденные уродства.

Канцерогены (лат. саnсег  рак, греч. genos- происхождение)  это загрязнители, чаще всего вещества или излучение, способствующие возникновению злокачественных опухолей. Большинство канцерогенов имеют антропогенное происхождение. Воздействие вредных веществ на организм человека зависит: от их химических свойств и размеров частиц, от концентрации, продолжительности воздействия и от способа попадания в организм.

Химические свойства. Определённые химические вещества специфически воздействуют на те или иные органы человека. Например, свинец или бензол воздействуют на кровь; сероводород или трихлорэтилен (CНC1  ССl₃)  на нервную систему.

Размер частиц. Крупные частицы, напр., пыль, задерживаются в верхних дыхательных путях. В легкие могут попасть только частицы размером менее 5*10 ^-4 см.

Концентрация. Чем выше концентрация вредного вещества, тем выше вероятность проявления его неблагоприятного воздействия.

Продолжительность воздействия. Чем дольше организм соприкасается с вредным веществом, тем сильнее проявляется его действие.

Способ попадания в организм. Основными путями попадания вредных веществ в организм человека являются органы дыхания, пищеварения и кожа.

5.3. Основные загрязненители и источники загрязнения биосферы

Все основные компоненты биосферы: атмосфера, гидросфера и литосфера (почва) в настоящее время загрязнены вследствие деятельности человека. А поскольку жизнь на Земле существует в строго определённом интервале значений уровней радиации, гравитации, магнитного и шумового фона, температуры, химического состава среды и т.д., а антропогенная деятельность влияет на эти параметры биосферы, то, очевидно, что человеком подрываются основы самой возможности жизни на нашей планете.

Загрязнение атмосферы  это изменение её состава при поступлении примесей природного или антропогенного происхождения.

К природным источникам загрязнения атмосферы относятся извержения вулканов, пыльные бури, лесные пожары, пыль космического происхождения, частицы морской соли, продукты растительного, животного и микробиологического происхождения.

Антропогенные источники загрязнения атмосферы очень многочисленны. Сжигание горючих ископаемых в энергетических установках, на предприятиях черной и цветной металлургии, коксохимии, нефтепереработки, в двигателях внутреннего сгорания, которое сопровождается выбросом в атмосферу оксидов углерода (примерно 5 млрд. т СО₂ ежегодно) и аэрозолей, содержащих оксиды железа, свинца, силикаты, сажу и другие примеси.

Работа тепловых электростанций на высокосерных углях, предприятий цветной металлургии, сернокислотное производство сопровождаются поступлением в атмосферу оксидов серы (по оценкам, в пересчёте на SO₂ более 145150 млн. т ежегодно). Высокая концентрация SO₂ влияет на процессы углеводного и белкового обмена.

Работа предприятий химической промышленности, полёты современных турбореактивных самолетов, наземный транспорт поставляют в атмосферу более 50 млн. т в год оксидов азота.

Предприятия нефтедобывающего, коксохимического и других производств выбрасывают в атмосферу сероводород.

Углеводороды выбрасываются нефтеперерабатывающими предприятиями и транспортом. Они поступают в атмосферу в виде парообразных конденсирующихся соединений сложного и изменяющегося в условиях атмосферы состава.

Общая масса ежегодного поступления в атмосферу мелкодисперсных аэрозолей составляет более 250 млн. т. Большой вклад вносит промышленность строительных материалов.

Основными загрязнителями воздуха в сельских районах являются животноводческие и птицеводческие фермы, промышленные комплексы по производству мясопродуктов, теплосиловые и энергетические установки. К источникам загрязнения относятся также склады, в которых происходит протравливание семян и поля, на которые вносятся минеральные удобрение и пестициды.

На сегодняшний день экологи насчитывают уже около 2000 загрязнителей атмосферы. Возрастает уровень загрязнения шумом, вибрацией, радиацией, электромагнитными полями и, особенно, химическими веществами.

Вещества-загрязнители атмосферы бывают двух видов:

• газы, на их долю приходится до 90 % загрязнителей;

• аэрозоли (греч. аer  воздух, лат. solutio  раствор)  это коллоидные системы, состоящие из газовой среды (воздуха), в которой диспергированы (лат. dispersus  рассеянный) твёрдые, размером 103  109 мм, или жидкие частицы размером 102  106 мм, выбрасываемые в атмосферу и находящиеся в ней длительное время во взвешенном состоянии (напр., пыль, зола, сажа, дым, мелкодисперсные смолистые вещества, оксид цинка, хлорид свинца, пылевидные металлы  свинец, мышьяк, кадмий, марганец и др.).

Основными газовыми загрязнителями атмосферы являются оксиды углерода (СО, СО₂), оксиды азота (NO, NO₂), оксиды серы (SO₂, SO₃), сероводород, метан и другие углеводороды, аммиак, галогеноуглероды, галогеноводороды, тропосферный озон, формальдегид, фреоны.

Опасность оксида углерода (II), т.е. угарного газа (СО), который образуется при неполном сгорании топлива и не имеет запаха, заключается в его высокой токсичности. Ядовитое воздействие угарного газа объясняется тем, что СО в 200 раз легче присоединяется к гемоглобину крови и мешает его способности переносить кислород от лёгких к тканям. Выбросы угарного газа могут нарушить тепловой баланс верхней атмосферы.

Увеличение содержания в атмосфере углекислого газа СО₂ приводит к потеплению климата в связи с чрезмерным поглощением воздухом теплового излучения Земли.

Накопление в атмосфере таких загрязнителей, как, например, оксиды азота, оксиды серы, сероводород, галогеноводороды приводит к выпадению, так называемых «кислотных дождей», пагубно действующих на живые организмы.

Значительные выбросы фреонов (хлорфторуглеродов) приводят к разрушению озонового слоя (озоносферы), образованию озоновых дыр (область с пониженным до 50 % содержанием озона). Оказалось, что фреоны  вещества стабильные и инертные в тропосфере, поднимаясь в стратосферу, подвергаются фотохимическому разложению с выделением атомарного хлора, который разрушает молекулы озона. Важно отметить, что хлор при разрушении озона выступает в роли катализатора, поэтому количество его не уменьшается в ходе химических реакций. Таким образом, один атом хлора может в среднем разрушить 100 тыс. молекул озона, прежде чем будет дезактивирован и исчезнет из стратосферы. А среднее время жизни фреонов в атмосфере  до 100 лет.

Аэрозоли являются источником загрязнения не только тропосферы, но и стратосферы, оказывая влияние на её спектральные характеристики, что может сказаться на альбедо земной поверхности.

Хотя время пребывания в атмосфере аэрозолей исчисляется несколькими сутками, их влияние может снизить температуру воздуха у земной поверхности на 0,3 ⁰С. Выпавшие на поверхность земли аэрозоли загрязняют почву, приводят к заболеваниям трав и деревьев.

С атмосферными осадками загрязнители поступают в почву. Некоторые растения могут накапливать эти загрязнения как из почвы, так и из атмосферы. Таким образом, начальное антропогенное загрязнение атмосферы оказывает влияние на остальные компоненты биосферы.

В реальных условиях человек и экосистемы подвергаются воздействию не отдельных загрязнителей, а их комбинаций, включающих физические, химические и биологические составляющие. Например, поступление в атмосферу городов углеводородов, оксидов азота, углерода и других веществ в сочетании с активным воздействием энергии солнечного излучения приводит к фотохимическим реакциям. В результате этого образуются тонкодиспергированные аэрозоли в виде голубой дымки  смога.

Смог (англ. smoke  дым, fog  густой туман)  характеризует сильное загрязнение воздуха в больших городах и промышленных центрах. Различают смог ледяной, влажный и фотохимический (сухой).

Ледяной смог (аляскинского типа)  это сочетание газообразных загрязнителей, пыли и кристаллов льда, образующихся при замерзании капель тумана.

Влажный смог (лондонского типа)  это результат сочетания газообразных загрязнителей, дыма, пыли и густого тумана.

Фотохимический смог (лос-анджеллеского типа)  это пелена едких газов и аэрозолей повышенной концентрации (без тумана), возникающая под действием ультрафиолетового излучения Солнца в результате фотохимических реакций. Главными токсическими компонентами такого смога являются озон, угарный газ, оксиды азота.

Появлению смога способствуют рельеф местности, в виде долин и котлованов, и слабая турбулентность воздуха. Смог снижает видимость, вызывает коррозию и разрушение различных сооружений, отрицательно влияет на окружающую природную среду и здоровье человека.

В течение 18 и 19 веков задымление воздуха носило местный характер. В настоящее время связи с бурным развитием промышленности и огромными масштабами сжигания ископаемого топлива, темпы расходования запасов свободного кислорода и накопления углекислого газа в атмосфере резко увеличились. По оценкам, за последние 100 лет концентрация углекислого газа в атмосфере увеличилась на 1218 %, на 1012 % возросла задымлённость атмосферы и на 710 % снизилась освещённость Земли. В результате круговорот углерода в природе оказался нарушенным.

В настоящее время толщина слоя загрязненного воздуха составляет 1,52 км. Наиболее чистый воздух над океанами. В деревнях и сёлах он содержит в 10 раз больше пылевидных примесей, над поселками и небольшими городами в 35 раз, а над промышленными центрами примерно в 150 раз больше, чем над океанами.

Загрязнение гидросферы  это снижение её биосферных функций и экономического значения в результате поступления в неё вредных веществ. В начале 20 века науке было известно всего 17 загрязнителей природных вод, сейчас их насчитывается более 3 тысяч. Особенно опасно химическое загрязнение водоёмов. Загрязнители попадают в гидросферу из атмосферы с атмосферными осадками. Однако, основные источники загрязнения гидросферы связаны с антропогенной деятельностью. На сегодня главные антропогенные загрязнители гидросферы очень разнообразны.

Двадцать процентов Мирового океана покрыто нефтяной пленкой. Нефть может попадать в воду в результате её естественных выходов в районах залегания. Однако, ежегодно большое количество нефти и нефтепродуктов (от 10 до 20 млн. т) попадает в процессе добычи, транспортировки, переработки и использования в качестве топлива и промышленного сырья, покрывая поверхность тонкой плёнкой, препятствующей нормальному газо- и влагообмену между водой и воздухом. Кроме того, сточные воды промышленных предприятий и многочисленные аварии танкеров добавляют к этой цифре ещё несколько тысяч тонн.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ), в том числе, синтетические моющие средства (CMC), широко применяемые в быту и промышленности. Присутствие CMC в воде придаёт ей неприятный вкус и запах. В загрязнённых реках с быстрым течением образуется пена. Концентрация CMC в воде в 1 мг/л вызывает гибель планктона, 3 мг/л  гибель дафний и циклопов, 5 мг/л – заморы рыб. CMC являются ксенобиотиками, замедляют естественное самоочищение водоёмов, действуют угнетающе на многие биохимические процессы.

Соли тяжёлых металлов  свинца, меди, цинка, кобальта, сурьмы, олова, висмута, ртути и других, попадающие из атмосферы, со сточными водами промышленных предприятий и со сбросами водного транспорта, являются опасными загрязнителями водоемов. Действие тяжелых металлов во многом обусловлено способностью гидробионтов к биоаккумуляции загрязнителей. Биоаккумуляция загрязнителей организмами  это накопление в тканях живых организмов химических веществ, загрязняющих среду обитания, в результате усвоения их в ходе питания.

Минеральные удобрения, т.е. нитраты, хлориды, сульфаты содержащие макробиогенные элементы, которые, попадая в гидросферу, вызывают эвтрофикацию водоемов.

Радиоактивные вещества и продукты радиоактивного распада  представляют для гидросферы особую опасность и связаны со сбросом и захоронением радиоактивных отходов. Морская вода разъедает контейнеры, и их содержимое оказывается в воде. Радиоактивные вещества аккумулируются планктоном и рыбой, затем по цепям питания передаются другим животным и человеку. Установлено, что радиоактивность планктона в тысячи раз выше, чем воды, в которой он обитает.

Тепловое загрязнение водоемов вызвано сбросом подогретой воды ТЭС и АЭС. Приводит к значительному снижению количества растворенного в воде кислорода, что снижает качество воды, приводит к цветению водоемов и в конечном итоге к их заболачиванию.

Кислотные дожди приводят к закислению водоемов и гибели всей водной экосистемы.

Загрязнение почвы  это снижение продуктивности плодородия и биосферных функций её из-за попадания загрязнителей. Загрязнение почвы происходит и природным путём, однако, наиболее распространено и опасно антропогенное загрязнение. В роли основных загрязнителей почв выступают металлы и их соединения, пестициды и удобрения, нефть и нефтепродукты, а также радиоактивные элементы.

Твердые отходы  отвалы вскрышных пород при горных разработках, особенно при добыче полезных ископаемых открытым способом; свалки промышленного и бытового мусора; зола из дыма промышленных предприятий и транспорта и т.д.

Пестициды, удобрения, промышленные токсиканты (в том числе ТМ, нефть и нефтепродукты) и болезнетворные бактерии, попадающие в почву со стоками с полей, из навозохранилищ, при нефтедобыче и её транспортировке, со сточными водами промышленных предприятий и отходами транспорта, при выпадении «кислотных» и «радиоактивных» дождей и так далее.

К наиболее опасным загрязнителям почв относится ртуть и её соединения, попадающие в почву с отходами промышленных предприятий и с ядохимикатами. Массовый и опасный характер носит загрязнение почв свинцом. Так, при выплавке каждой тонны свинца в окружающую среду с отходами попадает его до 25 кг. Пестициды и токсиканты, накапливаясь в почве, вызывают гибель почвенных организмов, что нарушает естественный процесс почвообразования. При попадании химических загрязнителей в почве нарушаются сложившиеся соотношения между химическими компонентами, в результате чего экосистемы почвы выходят из равновесия.