что соответствует среднемировому значению (население России 2,7% миро­ вого). Из забираемой воды на промышленность приходится 53%, на ороше­ ние - 16%, на хозяйственно-питьевые нужды - 15%, сельское водоснабже­

ние —4% (12% —прочие).

Основные факторы, способствующие деградации водных объектов:

- гидроэлектростанции. Водохранилища меняют водный режим, сильно влияют на земельный покров [из общей площади водного зеркала водохра­ нилищ России - 15 млн га (1% всей территории страны) - 60-70% - затоп­ ленные земли];

-смыв с сельскохозяйственных территорий. Точные данные отсутству­ ют, но считается, что в водоемы смывается более 50% удобрений и ядохими­ катов. Особенно опасны в этом отношении животноводческие комплексы;

-сухие и мокрые выделения из атмосферы - соединения серы, аммоний­

ный азот, тяжелые металлы, летучая зола и др.; - деградация подземных вод - снижение уровня при заборе воды, вскры­

тие подземных вод при строительстве шахт и т.д.

В.И. Данилов-Данильян совершенно справедливо отмечает, что “мас­ штабы и темпы деградации природных вод России намного выше, чем дру­ гих природных сред... Мокрые сельскохозяйственные технологии, произ­ водство пищевых продуктов, источники пищевого водоснабжения и сама питьевая вода стали теми каналами, по которым загрязнители, в том числе токсичные, попадают в организм человека, который и сам организован на основе мокрых технологий”.

2.2.3.ХИМИЧЕСКИЙ ПОДРЕСУРС

2.2.3.1.ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Антропогенная деятельность оказывает влияние на протекание хими­ ческих процессов в биосфере. В XX в. эта деятельность приобрела такой масштаб, что изменение природных процессов стало сказываться на осно­ вополагающих для поддержания жизни в биосфере объектах: состоянии климата, составе атмосферы и гидросферы и пр. Становится все более яс­ ным, что накладывание антропогенной химической нагрузки на естест­ венные химические процессы в биосфере обусловливает столь серьезные изменения в форме и содержании механизмов поддержания жизни на Зе­ мле, что без контроля и управления антропологической нагрузкой ход хи­ мических процессов в биосфере может быть безвозвратно нарушен. Мож­ но утверждать, что химической составляющей биосферного ресурса, ко­ торую мы впредь будем обозначать как “химический подресурс”, необхо­ димо особое внимание.

Изучение антропогенного химического воздействия требует прежде все­ го глубокого знания природных химических процессов. Для многих людей понятие “химия окружающей среды” полностью ассоциируется с понятием “загрязнение” Это весьма ограниченный взгляд. Предметом изучения но­ вой науки, получившей название “химия окружающей среды”, является хи­ мизм природных процессов в условиях возрастающей антропогенной хими­ ческой нагрузки.

вание ядер следующих элементов в процессах так называемого углеродно­ азотного цикла:

С12 + Не4 -» N14 + (р, п),

С12 + С12 —» Mg24 + у.

N14 + N14 -> Si28 + у,

О16 + О16 —> S32 + у.

Новое сжатие с достижением плотности 3 • 106 г/см3 и температуры 3 • 109 К и новая цепочка реакции:

Si28 + Si28 -» (Со, Fe, Ni)

с образованием металлов железной группы. Реакции между другими ядрами приводили к образованию всех остальных элементов, занимающих позиции между серой и группой железа.

На более поздних этапах сжатия образовывались более тяжелые эле­ менты, вплоть до занимающих последние позиции радиоактивных актиния, тория и урана. Эти ядра самопроизвольно распадаются, поэтому только не­ значительная часть из них просуществовала до нашего времени.

Дальнейшее развитие звезд приводило к гигантским взрывам (сверхно­ вые и новые звезды), звездное вещество в огромных количествах выбрасы­ валось в пространство, образовывая облака космического газа и пыли. В этих облаках содержались практически все химические элементы, синтези­ рованные в результате ядерных реакций в недрах звезд.

Пылевые и газовые облака, вращавшиеся вокруг звезд, постепенно сгу­ щались, распадаясь на отдельные фрагменты, которые под действием тех же самых гравитационных сил уплотнялись и со временем приобретали сфери­ ческую, характерную для планет форму. Массы протопланет значительно уступали массе центральной звезды, вокруг которой они вращались, поэто­ му при сжатии вещества не происходили ядерные реакции - плотности и тем­ пературы были недостаточны. Однако химические реакции между элемента­ ми, имеющимися в составе протопланет, происходить могли. И они действи­ тельно происходили, при этом образовывались химические вещества: окси­ ды, силикаты, сульфиды, сульфаты и другие более сложные соединения, ко­ торые широко представлены в веществе нашей планеты и в настоящее вре­ мя. Считается, что температура на Земле в результате сжатия составляла примерно 2000-3000 °С, т.е. все соединения, образовавшиеся к этому момен­ ту, находились в расплавленном состоянии. Расплав начал расслаиваться: бо­ лее плотная и тяжелая его часть, содержащая в основном расплавленные ме­ таллы - Fe, Ni и т.д., оказалась ближе всего к центру и образовала ядро; бо­ лее легкая часть, представленная в основном силикатами, окружала ядро 2500-километровым слоем; самая верхняя тонкая (несколько сотен километ­ ров) оболочка (литосфера) имела наименьшую плотность и содержала алю­ мосиликаты и другие химические соединения, включающие элементы с не­ большим атомным весом. Время этих процессов на Земле относят к 4,5-4 млрд лет назад. За последующие несколько сотен миллионов лет по­ верхность планеты остыла и образовалась хрупкая и очень твердая оболоч­ ка - земная кора. Температура на поверхности земной коры приблизилась к современной. В результате активной вулканической и тектонической дея-

Таблица 2.14

Содержание химических элементов в различных средах, масс.%

тельности из-за дегазации пород сформировалась атмосфера, содержащая Н20, N2, С02, с о , Н2 и Не. Легкие газы Н2 и Не достаточно быстро улетучи­ вались из атмосферы в космическое пространство, так как земной силы тя­ жести не хватило для их удержания. Часть паров воды сконцентрировалась, образовав на земной поверхности гидросферу - океаны, моря, реки и т.д. Хи­ мический состав земной коры, гидросферы и атмосферы обеспечивали в ос­ новном 26-30 первых элементов периодической системы (до Fe, Си, Zn).

Дальнейшая химическая история Земли связана с развитием жизни. Первые следы живых организмов датируются временем 3,6 млрд лет назад. Основные элементы, которые входят в состав органических веществ, име­ лись к тому времени в значительных количествах. Это Н, С, N, О, Na, Mg, Р, S, Cl, К, Са и Fe. Будем называть их биологически активными элементами. Дополнительно необходимыми для возникновения жизни являются также Si и А1, которые, хотя и не присутствуют в ощутимых количествах в живых тканях, но составляют основу донных отложений небольших водоемов, т.е. ту среду, где предположительно зародились первые простейшие организмы.

В табл. 2.14 приведены данные по содержанию биологически активных элементов, а также А1 и Si в различных средах на Земле и в среднем в Сол­ нечной системе. Как видно из данных таблицы, количество жизненно важ­ ных элементов в космосе исчезающе мало, в то время как в трех приповерх­ ностных среда** Земли —литосфере, гидросфере и атмосфере —содержится все необходимое для возникновения и поддержания жизни. Поэтому понят­ но, что именно здесь на границе этих трех сред и возникла биосфера. С те­ чением времен*! организмы приспосабливались к окружающей среде, о чем свидетельствует близость химических составов этой среды и живых орга­ низмов. Обращает на себя внимание, что основные элементы биосферы -

кислород и водород - присутствуют в гидросфере в тех же количествах, что

ив организмах, что свидетельствует о зарождении жизни в водной среде.

Сразвитием биосферы, в результате жизнедеятельности живых организ­ мов, происходило изменение химического состава атмосферы: уменьшилось количество углекислого газа и возросло количество чистого кислорода. Меня­ лись и сами организмы. Если вначале это были анаэробные формы жизни, т.е. не включающие в свой метаболизм (жизненный цикл) процессы окисления чи­ стым кислородом, то в более позднее время, когда кислорода в атмосфере ста­ ло достаточно, возникли аэробные современные организмы. Произошло это примерно 1,6 млрд лет назад. Одновременно под действием солнечной радиа­ ции на высоте около 40 км над земной поверхностью стал формироваться озо­ новый слой, который, поглощая ультрафиолетовое жесткое излучение, предо­ храняет высшие организмы от вымирания. Полностью он сформировался не­ сколько сотен миллионов лет назад. С тех пор химический состав окружаю­ щей среды практически не менялся и сохранился до нашего времени.

Проведенное краткое рассмотрение истории формирования современ­ ной окружающей среды позволяет сделать следующий вывод: существова­ ние жизни, живого вещества, возможно только в среде, имеющей вполне оп­ ределенный химический состав, который образовался в результате длитель­ ной геологической эволюции в процессе взаимного приспособления нежи­ вой и живой природы. Изменения химического состава окружающей среды наверняка оказали бы отрицательное влияние на биосферу.

2.2.З.1.2. Химическая устойчивость биосферы и биосферные катастрофы

Определяющая роль химического состава окружающей среды связана прежде всего со следующим обстоятельством. Органические молекулы, яв­ ляющиеся основным строительным материалом живых организмов, образу­ ются в результате реакции конденсации (дегидратации). Например, образо­ вание молекул белка из аминокислот происходит путем образования пеп­ тидной (белковой) связи между двумя аминокислотами:

нн н О

Несмотря на то что энергия Гиббса - энергия образования молекулы ди­ пептида Д(?2 9 8 обр - отрицательна, т.е. эта молекула термодинамически ус­

тойчива » стандартных условиях, стандартное изменение энергии Гиббса в реакции конденсации больше 0. Это означает, что в водной среде идет реак­ ция гидратации дипептида, обратная данной. Поэтому при избытке HjO об­ разование белков термодинамически невыгодно, т.е. если белки и другие сложные биологические полимеры поместить в водную среду, то они через некоторое время гидролизуются (разрушаются). Таким образом, устойчи­ вость живой материи является не абсолютной, а лишь метастабильной. Она поддерживается за счет подвода энергии (солнечной, химической, тепловой) и органического вещества в среде строго заданного химического состава. Нарушение этих условий (химический состав, величина потока энергии) приводит к нарушению в структуре белковых молекул и к мутациям орга­ низмов; при существующих отклонениях скорости реакции распада органи­ ческих полимеров становятся значительными и организмы погибают. Та­ ким образом, постоянный химический состав окружающей среды является основным фактором существования биосферы в целом и человека как вида в частности.

Итак, биосфера находится в метастабильном стационарном устойчивом состоянии. Полем устойчивости биосферы будем называть диапазон изме­ нения внешних параметров, внутри которого возможно сохранение совре­ менного состояния биосферы. С точки зрения химического состава, это ди­ апазон концентраций химических соединений в окружающей среде, кото­ рый обеспечивает устойчивую жизнедеятельность организмов.

Возникает вопрос: не было ли за всю историю развития биосферы слу­ чаев нарушения ее поля устойчивости? Исследования геологических разре­ зов показали, что за время существования на Земле несколько раз происхо­ дили глобальные массовые вымирания целых сообществ растений и живот­ ных. К последнему событию такого рода относится катастрофа, известная как гибель динозавров, которая произошла около 60 млн лет назад. Относи­ тельно причин исчезновения рептилий с лица Земли высказывались различ­ ные предположения. Одно из них - усиление вулканической деятельности в этот период и увеличение выбросов в атмосферу большого количества га­ зов и пыли, т.е. изменение химического состава атмосферы за короткий в геологическом масштабе срок. В результате, как считается, произошло зна­ чительное падение средней температуры у поверхности Земли, что и приве­ ло к гибели не приспособленных к холоду динозавров.

Если рассматривать химический аспект взаимодействия внешней среды с живым организмом (например, с организмом человека), то следует иметь в виду два типа процессов. Во-первых, это процессы обмена веществ в орга­ низме, поддерживающие его жизнедеятельность, - процессы метаболизма, которые можно определить как физико-химические процессы внутреннего кругооборота, в результате которых в организме устанавливается вполне определенный химический и вещественный состав, отвечающий фазе функ­ ционирования самого организма и внешним условиям. Кроме того, в при­ родной среде существуют физико-химические процессы, поддерживающие ее состояние и состав, которые следует определить как внешний кругообо­ рот. За длительное время совместного существования внутренний и внеш­ ний кругообороты веществ подстроились друг к другу. Сезонные и другие циклические изменения состава внешней среды вызывают соответствую­ щие изменения внутри организма. Поэтому любые изменения во внешнем

кругообороте приводят к изменениям во внутреннем кругообороте. Если изменения не очень велики, то действует принцип Ле Шателье - организм, находящийся в устойчивом метастабильном состоянии, стремится сохранить устойчивость и противодействует изменению состава внешней среды. Про­ тиводействие возможно, пока изменение находится в пределах поля устой­ чивости. За пределами поля устойчивости в организме начинают происхо­ дить катастрофические процессы, которые приводят к нарушениям метабо­ лизма, болезни или даже смерти. Если рассматривать влияние внешнего хи­ мического состава на биосферу в целом, то вне поля устойчивости биосфе­ ры наступает биосферная катастрофа.

Как мы уже убедились, катастрофы могут быть природные (вспомним судьбу динозавров) и антропогенные. В зависимости от масштабов воздей­ ствия они могут носить локальный или глобальный характер. Например, сход с рельсов цистерны с кислотой или даже утечка нефти при аварии на нефтеналивном судне при всей трагичности последствий имеют локальный характер. А возможное столкновение Земли в начале XXI в. с астероидом, конечно, глобальная катастрофа.

Многие ученые считают, что в настоящее время Земле угрожает антропогенная токсикация. За последнее столетие увеличение про­ мышленного производства привело к многократному возрастанию объема и номенклатуры изготовления химических веществ, как уже имеющихся в природной среде, так и совершенно новых, синтезирован­ ных человеком для собственных нужд. Попадая в природную среду, эти вещества включаются во внешний кругооборот. Их постоянное накоп­ ление вызывает изменения химического состава всех природных сфер. В крупных промышленных регионах, прежде всего в городах, концен­ трация некоторых веществ выходит за пределы поля устойчивости. Несмотря на принимаемые меры, имеется постоянная тенденция к воз­ растанию отклонений химического состава среды от состава, сформи­ ровавшегося в течение миллионов лет в результате биологической эво­ люции. Если этот процесс будет продолжаться, то через короткое вре­ мя локальные обратимые изменения могут перейти в глобальные не­ обратимые.

2.2.З.1.З. Природные источники химической нагрузки на биосферу

Общая масса Земли считается равной 5,974 • 1027 г, средняя плотность - 5,517 г/см3, средняя плотность горных пород, составляющих верхнюю обо­ лочку, - 2,8 г/см3. Глубинные части планеты отличаются более высокой плотностью. Данные для создания моделей строения Земли получены на основании изучения особенностей распространения сейсмических волн. Во всех основных моделях наша планета разделена на три главные части: зем­ ную кору, или литосферу, мантию и ядро. К земным оболочкам относят еще атмосферу и гидросферу. Общие сведения о них приведены в табл. 2.15.

Земная кора отличается крайней неравномерностью распространения химических элементов. Содержание одних элементов отличается от содер­ жания других в миллиарды раз. В этих условиях у части элементов многие химические свойства остаются нереализованными. Так, элементы с малой

концентрацией часто не могут образовать достаточное число собственных минералов, попадая в виде примесей (закономерных и случайных) в “чужие” минералы.

Отметим, что в природных условиях практически никогда не происходят реакции между отдельными элементами. В них участвуют (хотя и в различ­ ной мере) многие химические элементы. При этом надо иметь в виду, что в соответствии с законом Кларка-Вернадского в каждом природном объекте присутствуют все химические элементы. Конечно, не все они в прямом смысле участвуют в конкретных химических реакциях. Многие из этих эле­ ментов ускоряют или замедляют реакции, другие - создают определенные щелочно-кислотные условия, часть из них входит в состав новых образова­ ний в виде закономерных или случайных примесей.

Наиболее важны химические процессы в атмосфере. Она является са­ мым маленьким из геологических резервуаров Земли. Именно ограничен­ ные размеры делают атмосферу такой чувствительной к антропогенным воздействиям. Внесение даже небольших количеств дополнительных ве­ ществ может привести к значительным изменениям в ее поведении.

Следует заметить, что скорость переноса веществ в атмосфере очень ве­ лика. Выбросы крупных катастроф можно через короткое время обнару­ жить по всему земному шару. Такое перемешивание, содействуя распро­ странению загрязнителей на большие площади, в то же время ослабляет их действие. В противоположность этому распространение в океане идет на­ много медленнее, а в других резервуарах Земли происходит только в геоло­ гических временных масштабах, равных миллионам лет.

Общий состав атмосферы в результате высокой степени перемешива­ ния почти одинаков по всей Земле. В горизонтальном направлении переме­ шивание осуществляется благодаря вращению Земли. Вертикальное пере­ мешивание является в основном результатом нагрева поверхности Земли солнечным излучением.

Концентрации основных газов в атмосфере приведены в табл. 2.16. Важным понятием в химии окружающей среды является время пребы­

вания вещества в среде. Вещества с большим временем пребывания могут

Таблица 2.17

Время пребывания и концентрация некоторых газов в биосфере

накапливаться в относительно высоких концентрациях по сравнению с те­ ми, время прерывания которых мало. Однако даже если газы с коротким временем пребывания быстро удаляются, их высокая реакционная способ­ ность может привести к накоплению продуктов реакции, которые вызыва­ ют осложнения. Если же у газа большое время пребывания, то у него будет достаточно времени, чтобы далеко распространиться в атмосфере, и таким образом можно ожидать высокое постоянство его концентраций по всему земному шару (табл. 2.17, рис. 2.2).

Время пребывания, дни

Время пребывания, годы

Рис. 2.2. Изменчивость следовых и других соединений в атмосфере как функция времени пребывания (по; Brimblecombe, 1986 г.)

Поскольку в глобальном масштабе атмосферу можно рассматривать как систему, находящуюся в состоянии равновесия, будем использовать мо­ дель, в которой атмосфера представлена как система, имеющая источника­ ми резервуар (саму атмосферу) и стоки, пребывающие в хрупком равнове­ сии. Источники должны быть достаточно стабильными в течение длитель­ ного периода, иначе равновесие будет сдвигаться. Наиболее известный при­ мер такого сдвига - увеличение источника С 02, о чем речь пойдет ниже.

Природных источников микрокомпонентов в атмосфере много, все их можно разделить на геохимические и биологические.

Геохимические источники. Самыми мощными источниками являются переносимые ветром пыль и морские брызги, поставляющие в атмосферу огромные количества твердых веществ. Если пыль достаточно тонка, то она может распространяться на большие площади и играть важную роль в перераспределении материала. Однако часто химическое влияние пыли в атмосфере не столь очевидно из-за слабой химической активности. Перено­ симые ветром морские брызги в виде частиц соли, наоборот, в атмосфере более реакционноспособны; они гигроскопичны, во влажных условиях при­ тягивают воду и образуют концентрированный капельный раствор, или аэрозоль. Этот Процесс принимает участие в образовании облаков. Капли могут также служить местом протекания важных химических реакций в ат­ мосфере. Если в капельках морской воды, состоящей преимущественно из

NaCl, растворяются сильные кислоты, например азотная или серная, то мо­ жет образоваться соляная кислота. Полагают, что этот процесс является важным источником НС1 в атмосфере:

Нг^О^аэрозоль) + NaCl(a3p030Jlb) —» НС1(га3) + NaHS04(a3p030Jlb).

Могут приносить в атмосферу твердые частицы и метеориты. Это срав­ нительно небольшой источник по сравнению с переносимой ветром пылью или лесными пожарами, но метеориты имеют большое значение для верх­ них слоев атмосферы, где плотность газов невысока. Здесь даже небольшой вклад может иметь значение, а металлы, привносимые с метеоритами, мо­ гут вступать в различные химические реакции.

Наземные вулканы представляют, пожалуй, наибольший источник Цыли, которая в результате сильных извержений может выноситься даже в стратосферу. Известно, что вулканические частицы могут влиять на гло­ бальную температуру, задерживая солнечный свет. Они также оказывают влияние на химические процессы на больших высотах. Вулканы служат так­ же мощным источником не только пыли, но и таких газов, как S02, С02, НС1, HF. Эти газы вступают в реакцию в стратосфере, давая начало другим соединениям, из которых важнейшим является H2S04.

Следует иметь в виду, что вулканы - весьма непостоянный источник ча­ стиц как во времени, так и в пространстве. Сильные вулканические извер­ жения случаются нечасто. Кроме крупных извержений, в результате кото­ рых большое количество вещества попадает в верхние слои атмосферы, не­ обходимо учитывать и небольшие выбросы из вулканических трещин и рас­ селин, из которых газы медленно входят в нижние слои атмосферы в тече­ ние длительного времени. Баланс между двумя типами вулканических ис­ точников точно известен, для S02 он близок к 50:50.

Некоторые элементы, встречающиеся в природе, радиоактивны; это оз­ начает, что их ядра нестабильны и спонтанно распадаются с образованием ядер другого элемента.

Распад калия (40К) записывается как: —> 40Аг + у-частица.

В этом преобразовании электрон калия захватывается ядром, протон которого превращается в нейтрон. Избыточная энергия теряется в виде у- частицы, которая, в сущности, является фотоном, несущим большое коли­ чество электромагнитной энергии. Важным для атмосферы является обра­ зование устойчивой формы (изотопа) аргона, который излучается калийсо­ держащими породами и накапливается в атмосфере. Некоторые элементы распадаются с образованием а-частицы, которая является ядром гелия:

238U —> 234Th + а-частица.

В процессе потери энергии а-частица захватывает электроны и стано­ вится в атмосфере 4Не. Другой источник гелия в атмосфере —распад радия:

226Ra -» 222Rh + а-частица,

в результате которого образуется инертный, но радиоактивный газ радон. Итак, радиоактивные элементы пород (в основном калий) и такие тяже­

лые элементы, как радий, уран и торий, могут высвобождать газы. Аргон об­ разуется в результате распада калия, а радон - радия. Уран—ториевые распа-

Источники твердых частиц в атмосфере

ды образуют гелий. Последний не накапливается в атмосфере, поскольку он достаточно легкий газ и уносится в космос. Таким образом, концентрация ге­ лия в состоянии устойчивости определяется балансом между его радиоактив­ ным излучением из земной коры и уносом из верхних слоев атмосферы.

Биологические источники. В отличие от геохимических биологические источники не являются крупным прямым каналом поступления частиц в ат­ мосферу, за исключением лесных пожаров (табл. 2.18). Последние служат значительным источником поступления.

Наряду с этим живой лес играет большую роль в обмене газов с атмо­ сферой: основные газы - кислород и диоксид.углерода - вовлечены в про­ цесс фотосинтеза и дыхания; лесами выделяются огромные количества сле­ довых органических соединений (такие как пинен и лимонен придают лесам своеобразный аромат). Леса также являются источниками органических ки­ слот, альдегидов и др.

Важную роль в генерации атмосферных следовых газов играют микро­ организмы. Так, метан накапливается в процессе жизнедеятельности бакте­ рий в анаэробных системах. Почвы богаты соединениями азота, дающими начало всему спектру химических процессов с участием азота, в результате которых при наличии микроорганизмов накапливаются многие азотсодер­ жащие следовые газы. Так, в результате гидролиза мочевины образуются аммиак и диоксид углерода:

NH2CONH2 + Н20 -> 2NH3 + С02.

Возможна также реакция:

2NH3 + 3,502 -> 2NOz + ЗН20.

Мощным источником следовых газов является деятельность микроорга­ низмов в океанах. Морская вода обогащена растворенными сульфатами и хлоридами и в меньшей степени солями других галогенов - фтора, брома, йода. Морские микроорганизмы используют эти элементы в метаболизме, в результате чего образуются серосодержащие и галогенсодержащие газы. Однако содержание азота в поверхностных морских водах настолько низ­ кое, что в действительности океаны являются азотной “пустыней”. Это под­ тверждает, что морская вода не служит сколько-нибудь значимым источни­ ком азотсодержащих микрокомпонентных газов.

Органические сульфиды, продуцируемые морскими микроорганизмами, вносят особо существенный вклад в накопление серы в атмосфере. Наибо­ лее типичным соединением является диметилсульфид (CH3)2S. Это летучее

соединение образуется морским фитопланктоном в верхних слоях океана. Другим важным соединением серы, выделяемым океаном, является кар-

бонилсульфид COS. Он может образоваться в результате реакции между сульфидом углерода CS2 и водой:

CS2 + Н20 -> COS + H2S.

Несмотря на то, что его поток в атмосферу меньше, чем диметилсульфида, вследствие устойчивости он будет накапливаться в больших концентрациях. Эти серосодержащие газы малорастворимы в воде, что способствует их вы­ ходу из океана в атмосферу.

Хорошо известно существование в атмосфере галогенпроизводных соединений. Несмотря на очевидную зависимость их поступления от на­ личия антропогенного источника (например, жидкости, применяемые для химчистки, в огнетушителях и распыляемых аэрозолях), существует много биологических источников этих соединений. Метилхлорид СН3С1, наиболее распространенный в атмосфере галогенуглеводород, образует­ ся, в первую очередь, из морских источников; некоторый вклад вносят также микробиологические процессы на суше и сгорающая биомасса. Бром- и иодсодержащие органические соединения также выделяются океаном, а морской иод на поверхности суши служит важным источни­ ком удовлетворения потребностей этого необходимого следового эле­ мента для млекопитающих.

Ясно, что газы с коротким временем пребывания в атмосфере могут быть легко удалены из нее в процессе поглощения растениями, твердыми веществами или водой. Однако наиболее существенной причиной коротко­ го времени пребывания газа в атмосфере служит протекание химических реакций.

Большинство микрокомпонентных газов не очень активно вступают в реакции с основными компонентами воздуха. Наиболее реакционноспособ­ ным в атмосфере является фрагмент молекулы воды - радикал гидроксила ОН. Он образуется в результате фотохимически инициируемой последова­ тельности реакций, которая запускается фотоном света hv:

0 3 + Av -» 0 2 + О,

О + Н20 —» 20Н.

Радикал ОН может вступать в реакции со многими соединениями атмо­ сферы, поэтому у него короткое время пребывания; скорости реакций его выше, чем у такого распространенного газа, как 0 2. Реакция между диокси­ дом азота и радикалом ОН приводит к образованию HN03 - важной состав­ ляющей кислотных дождей:

Ш 2 + ОН" -> HN03.

COS, N20 и даже СН4, а также хлорфторуглероды (ХФУ) вступают в ре­ акцию с ОН ограниченно, имеют поэтому большее время пребывания в ат­ мосфере и со временем просачиваются в стратосферу. Однако там имеют место иные химические процессы, в которых преобладает не ОН, а атомар­ ный кислород. Газы, реагирующие с атомарным кислородом, могут препят­ ствовать образованию озона и таким образом “отвечать” за истощение озо­ нового слоя.

2.23.2. ГЛОБАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА

2.2.З.2.1. Парниковый эффект

Деформация окружающей среды чаще и прежде всего обосновывает­ ся увеличением концентраций микрокомпонентов (следовых или малых) газов. Темпы ежегодного прироста малых газов составляют: диоксида уг­ лерода - 0,5%; метана - 0,9; оксидов азота - 0,25; хлор- и хлорфторуглеродов - 4%.

Источники малых газов бывают как природные, так и антропогенные. Источники диоксида углерода - биота и сжигание ископаемого топлива. Выделение метана происходит в результате сельскохозяйственной деятель­ ности (животноводство, выращивание риса), а также при нарушении естест­ венного метанового фильтра (из бактерий). Галогенуглеводороды имеют исключительно антропогенное происхождение.

Разработано большое количество различных сценариев последствий этих явлений. Наибольшее распространение получила концепция глобаль­ ного потепления Земли вследствие так называемого парникового эффекта.

Парниковый эффект - это увеличение количества тепловой энергии Солнца, удерживаемой у земной поверхности. Понятие парникового эффе­ кта сформулировано в 1863 г. Тиндаллом. В 1886 г. Аррениус показал, что углекислый газ (диоксид углерода), составляющий ничтожную часть атмо­ сферы (около 0,03%), повышает температуру у поверхности Земли на 5-6° в сравнении с тем, если бы этот газ отсутствовал. В 1938 г. Каллендер впер­ вые высказал предположение о возможности влияния антропогенных вы­ бросов углекислого газа на климат.

Впоследствии на моделях показали, что при удвоении концентрации ди­ оксида углерода возможно глобальное потепление климата на 2-4°, а в по­ лярной области Северного полушария - на 6-8°. Среднеглобальный тренд потепления в период с 1860 по 1992 г. составил 0,зА),6°. В 70-е годы XX в. было доказано, что некоторые другие газы, содержащиеся в атмосфере в еще меньших количествах, чем диоксид углерода, дают ощутимый парнико­ вый эффект. Поэтому проблема глобального потепления служит в настоя­ щее время предметом обсуждений на специальных научных конференциях и входит в сферу мировой политики.

Диоксид углерода - естественный компонент атмосферы, содержащий­ ся в небольшой концентрации. В пробе обычного воздуха при нормальных условиях присутствует примерно 0,03 масс.% С02. С02 не ядовит и не отно­ сится к токсикантам. Растения используют С02 в процессе фотосинтеза, вы­ деляя кислород. Большинство животных потребляют кислород при дыха­ нии. При дыхании же они выделяют С02 как конечный продукт обмена. С02 не только потребляется при фотосинтезе, но и растворяется в Мировом оке­ ане. Угольная кислота реагирует с соединениями кальция и магния, попада­ ющими в воду вследствие выветривания пород, с образованием карбонатов. Карбонаты, выпадая в осадок, удаляются из воды, что делает возможным дальнейшее растворение С02 в воде. Итак, существуют два механизма для удаления диоксида углерода из атмосферы: 1) поглощение и усвоение зеле­ ными растениями в процессе фотосинтеза, 2) растворение в океане с после­ дующим осаждением из воды.

Бернард Небел в своем учебнике “Наука об окружающей среде” (1994 г.) следующим образом наглядно объясняет парниковый эффект: «Вам знакомо, как нагревается внутри автомобиль, когда он стоит на солн­ це с закрытыми окнами. Причина в том, что солнечный свет (световая энергия) проникает сквозь окна и поглощается сидениями и другими предмета­ ми в салоне. При этом световая энергия переходит в тепловую, предметы нагреваются и выделяют тепло в виде инфракрасного или теплового излу­ чения. В отличие от света оно не проникает сквозь стекла наружу, т.е. ула­ вливается внутри автомобиля. За счет этого повышается температура. То же происходит в парниках, откуда и произошел термин “парниковый эф­ фект”. В глобальном масштабе содержащийся в воздухе углекислый газ иг­ рает ту же роль, что и стекло. Световая энергия проникает сквозь атмосфе­ ру, поглощается поверхностью Земли, преобразуется в ее тепловую энер­ гию и выделяется в виде инфракрасного излучения. Однако углекислый газ в отличие от других природных компонентов атмосферы его поглощает. При этом он нагревается и в свою очередь нагревает атмосферу в целом. Значит, чем больше в ней углекислого газа, тем больше инфракрасных лу­ чей будет поглощено, тем теплее она станет».

Как отмечают А.М. Никаноров и Т.А. Хоружая (1999 г.), к настоящему времени сложился стереотип понимания парникового эффекта и его влия­ ния на глобальный климат, который сводится к следующему:

1.Происходит постоянное и нарастающее увеличение выбросов в атмо­ сферу парниковых газов, прежде всего диоксида углерода. Источники пос­ леднего - сжигание ископаемого топлива и производных продуктов, в пер­ вую очередь бензина в тепловых электростанциях, двигателях автомобилей

ит.д. Выбросы диоксида углерода особенно резко увеличились за последние 30-40 лет в промышленно развитых странах.

2.Еще более быстрыми темпами увеличились выбросы других газов, усиливающих парниковый эффект, - метана, оксидов азота, галогеноуглеводородов. По некоторым оценкам, в последние годы парниковый эффект увеличился на 15-20%. Только в 1998 г. вследствие продолжающегося унич­ тожения тропических лесов в атмосферу попало 5,5 млрд т углерода. Если такая нагрузка будет сохраняться, то с 2010 г. в атмосферу будет ежегодно поступать не менее 10 млрд т углерода.

3.В результате этих процессов среднегодовая температура на планете выросла и продолжает расти. Изменения температуры происходят неравно­ мерно в различные временные периоды. Так, в течение 1940-1970 гг. этот показатель оставался стабильным. Однако всего за 7-8 лет в 80-е годы он вырос до 15,2 °С (в 1890-е годы - 14,5 °С).

Конечно, увеличение температуры на 0,7 °С за 90 лет не кажется значи­ тельным, но опасность таится в самой тенденции роста. По некоторым про­ гнозам, среднегодовая температура на Земле может оказаться на 1,5-4,5 °С выше нынешней, т.е. на Земле будет теплее, чем за последние 2 млн лет. Темпы потепления в первой половине XXI в. могут стать в 5—10 раз выше, чем в XX в.

4. Последствия потепления для населения и экономики могут оказаться различными и иметь как положительные, так и отрицательные стороны.

Несмотря на столь убедительные доводы, наличие парникового эффек­ та подвергается сомнению. Так, Джон Хатон в книге “Глобальное потепле­

ние, полное инструктирование” подчеркивает существование внутренней изменчивости климатической системы. “Ввиду наблюдаемой природной из­ менчивости климата несомненно трудно с определенностью считать, что тренды потепления средней глобальной температуры за последнее столетие и последнее десятилетие обусловлены глобальным потеплением, возник­ шим за счет роста концентрации парниковых газов”. Так, повышение тем­ пературы в период с 1910 по 1940 г. оказалось слишком быстрым, чтобы его можно было объяснить сравнительно медленным повышением концентра­ ции парниковых газов в этот период.

Анализ различных косвенных индикаторов климата показал его зна­ чительную изменчивость за последнюю тысячу лет, в частности, выявил периоды потеплений и похолоданий. Природа этой изменчивости остает­ ся неясной.

Можно присовокупить к этим рассуждениям еще одно, которое вносит еще больше сомнений в объяснение механизма климатических изменений. “Хорошо известно, что водяной пар с его специфической способностью из­ менять фазовое состояние при температурах, наблюдающихся в тропосфе­ ре, является главным парниковым газом и активным источником тепла” (Арский и др., 1997 г.).

Наконец, не будем забывать известное замечание Вернадского о том, что “ледниковый период не закончился и длится до сих пор (1930-е годы. - Прим. авт.). Мы живем в периоде межледниковом - потепление еще про­ должается, но человек так хорошо приспособился к этим условиям, что не замечает ледникового периода. Скандинавский ледник растаял на месте Пе­ тербурга и Москвы несколько тысяч лет назад, когда человек уже обладал домашними животными и земледелием”.

Н.П. Лаверов (2000 г.) отмечает, что климат Земли многократно и суще­ ственно менялся и тогда, когда никакого антропогенного влияния не было. По последним данным, он меняется с периодичностью в 10 тыс. лет. Многие специалисты полагают, что в настоящее время Земля находится в конце пе­ риода естественного потепления, но вскоре надо ожидать похолодания.

Необходимо отметить, что в некоторых районах Земли похолодание за­ метно и в наши дни. Если в последние 10 лет сначала в южных морях, а за­ тем в Сибири, Восточной Европе и на западе Северной Америки отмечалось потепление, то в Гренландии и северо-восточнее Канады и ряде островов Арктики наблюдалось понижение средних температур.

Вопреки математическим прогнозам в полярных районах потепления пока не было, хотя именно здесь оно ожидалось в наиболее выраженном ви­ де. В последние годы повышение температур фиксировалось главным обра­ зом в тропиках, что противоречит прогнозам, согласно которым пятикрат­ ный рост температур по сравнению со среднеглобальным ожидался в поляр­ ных областях.

Эти и другие факты дают основание считать, что влияние парникового эффекта на глобальное потепление вызывает серьезные сомнения.

Однако согласие с этими рассуждениями не меняет принципиальной оценки роли парниковых газов и воздействия парникового эффекта. Нало­ жение антропогенного парникового эффекта на естественные изменения глобального климата может привести к непрогнозируемым, возможно весь­ ма тяжелым последствиям.

Таблица 2.19

Эмиссия парниковых газов в некоторых странах в 1987 г., тыс. т

Таблица 2.20

Вклад промышленности в парниковый эффект в 1987 г. в пересчете на углекислотный парниковый эквивалент, тыс. т углерода

Бесспорно, что в настоящее время происходит повышение концентра­ ции С 02 в атмосфере. Еще заметнее повышается концентрация в атмосфе­ ре метана.

Самым серьезным источником парниковых газов, особенно диоксида углерода, является сжигание ископаемого топлива. Сегодня вклад в пар­ никовый эффект оценивается для разных газов следующими цифрами: диоксид углерода - 61%, метан - 23, оксиды азота - 4%. Обычно содер­ жание метана, оксидов азота, а также хлорфторуглеродов, также относя­ щихся к парниковым газам, пересчитывают в углекислотный парнико­ вый эквивалент, так как степень поглощения теплового излучения моле­ кулами метана и хлорфторуглеродов значительно выше, чем у диоксида углерода (коэффициенты пересчета для газов: С 02 - 1; СН4 - 68,6; хлорфторуглероды - 6,4). Заметим также, что в сообщаемых в литературе сведениях эмиссия парниковых газов в виде С 02 приводится в пересчете на углерод (табл. 2.19) или в массе углерода для всех парниковых газов после приведения к углекислотному парниковому эквиваленту (табл. 2.20).

В настоящее время показатели, приведенные в табл. 2.19 и 2.20, претер­ пели некоторое изменение. Так, по расчетным данным, выбросы парнико­ вых газов в России в 1994 г. снизились по сравнению с 1991 г. не менее чем на 20% и составили 500-600 Мт. Доля России в общем выбросе парниковых

газов в 1994 г., видимо, составила около 7% (Европа без России - 24%, США - 22, Китай - 12%).

Реакцией мирового сообщества на угрозу глобального потепления яви­ лось подписание 160 странами в 1992 г. Конвенции ООН по изменению кли­ мата. Таким образом, от теоретических споров и взрывов эмоций человече­ ство перешло к первым практическим делам.

В декабре 1997 г. в Киото (Япония) состоялась Международная конфе­ ренция стран-участниц Конвенции. Представители 159 стран попытались договориться о параметрах сокращения эмиссии парниковых газов.

Отметим, что решения конференции носят обязательный характер. Это особенно важно, поскольку сокращение выбросов парниковых газов связа­ но с существенными расходами, необходимостью перестройки народного хозяйства. Введение строгих ограничений влечет за собой сокращение по­ требления горючих полезных ископаемых, в том числе угля, на который приходится 23% выбрасываемого в атмосферу Земли диоксида углерода, и нефти. Ежегодные потери стран; входящих в Организацию производителей и экспортеров нефти, могут составить 10 млрд долл. США.

Единогласно принятый текст итогового документа конференции впер­ вые в истории устанавливает для индустриально развитых стран обяза­ тельные к исполнению количественные показатели сокращения объема выбросов парниковых газов. В период с 2008 по 2012 г. он должен в целом уменьшиться по сравнению с 1990 г. на 5,2%. Европейский союз обязался сократить эмиссию на 8%, США - на 7, Япония, Канада, Венгрия, Поль­ ша - на 6% каждая. Трем странам разрешено увеличить эмиссию парнико­ вых газов: Исландии - на 10%, Австралии - на 8, Норвегии - на 1%. Рос­ сия, Украина и Новая Зеландия к 2012 г. должны сохранить количество выбросов на уровне 1990 г.

Список газов-загрязнителей расширился до шести: кроме диоксида угле­ рода, метана и оксидов азота в него вошли газы-заменители фреона: гидрофлюрокарбон, перфлюрокарбон и гексахлорид серы. Обязательства разви­ вающихся стран в итоговом документе не зафиксированы.

Решения конференции в Киото являются лишь началом деятельности человечества по поддержанию постоянства климата в естественных преде­ лах. По данным Агентства по охране окружающей среды США, для стаби­ лизации состояния атмосферы необходимо снизить объемы выбросов пар­ никовых газов на 70-80% (диоксида углерода - на 60-80%, метана - на 20, фреонов - на 75-100, оксидов азота - на 80%). В перспективе решения кон­ ференции в Киото означают, что мировым сообществом выбран адаптаци­ онный путь развития: при появлении тех или иных климатических измене­ ний сообщество будет к ним приспосабливаться. По предварительным оцен­ кам, наиболее существенные адаптационные мероприятия потребуются на­ чиная со второго десятилетия XXI в. Стоимость этих мер составит на бли­ жайшие 30 лет от 600 млрд до 1 трлн долл. США.

Сокращение выбросов парниковых газов ставит проблемы прежде все­ го перед энергетикой (табл. 2.21). За 20 лет - с 1970 по 1990 г. - в мире бы­ ло сожжено 450 млрд баррелей нефти, 90 млрд т угля, 11 трлн м3 газа.

Рассмотрим электростанцию, работающую на угле (такие станции обес­ печивают 1/3 мирового производства электроэнергии) и все виды возника­ ющих на ней отходов, включая выбросы (табл. 2.22).

ковых. В результате в атмосфере появились газы, которые ранее в ней практически отсутствовали - хлорфторуглероды. В табл. 2.23 приведены данные выброса важнейших поллютантов при сжигании ископаемого то­ плива.

2.232.2. Состояние озонового слоя

Наряду с видимым светом Солнце излучает ультрафиолетовые волны. Хотя ультрафиолетовые лучи невидимы, они обладают большей энергией, чем видимые. Проникая сквозь атмосферу и поглощаясь тканями живых ор­ ганизмов, они разрушают молекулы белков и ДНК. Если бы все ультрафи­ олетовое излучение, падающее на верхние слои атмосферы, достигало по­ верхности Земли, то жизнь на ней вряд ли бы сохранилась. Даже небольшая, доступная нам часть этого излучения (менее 1%) вызывает загар и ежегод­ но только в США 200-600 тыс. случаев рака кожи.

Мы защищены от агрессивного воздействия ультрафиолетового излуче­ ния, так как 99% его поглощается слоем озона в атмосфере на высоте око­ ло 25 км от поверхности Земли, называемом также озоновым экраном. Тол­ щина его невелика, если бы весь озон, большая часть которого находится в стратосфере, был перенесен на уровень Земли, он составил бы слой толщи­ ной лишь 2-3 мм. Озон в стратосфере есть продукт воздействия ультрафио­ летового излучения на молекулы кислорода 0 2. В результате некоторые из них распадаются на свободные атомы, а те, в свою очередь, могут присоеди­ ниться к другим молекулам кислорода с образованием озона. Однако весь кислород не превращается в озон. Поэтому количество озона в стратосфе­ ре не статично. Оно представляет собой результат равновесия между двумя этими реакциями. Озон является загрязнителем в нижних слоях атмосферы и полезным компонентом в верхних слоях. (Еще одно подтверждение пра­ вильности определения загрязнителя, как “вещества, выделившегося не в том месте”.)

В 1970 г. Пауль Крутцен (ныне заведующий кафедрой химии атмосфе­ ры в Институте химии Макса Планка) опубликовал работу, положившую начало исследованиям озонового слоя. Он обратил внимание на то, что в хо­ де естественных природных процессов на Земле образуется вдвое больше озона, чем разрушается, однако общее содержание озона в атмосфере при этом не растет. Крутцен доказал, что “пропавший озон” разрушается окси­ дами азота, попадающими в атмосферу также в ходе естественных процес­ сов. Далее Крутцен подсчитал, что сверхзвуковые самолеты, которые, как тогда предполагалось, вскоре начнут совершать полеты в атмосферу, будут выбрасывать столько же оксидов азота, сколько их поступает в ходе естест­ венных процессов.

В том же 1970 г. Джон Лавлок обнаружил в воздухе над Западной Ир­ ландией хлорфторуглеродное химическое соединение (ХФУ), названное трихлорфторметаном. Это удивило специалистов, поскольку ранее счита­ лось, что большинство загрязняющих веществ редко задерживается в атмо­ сфере надолго. К этому времени промышленность наладила массовый вы­ пуск хлорфторуглеродных химикатов, нашедших широкое применение в аэрозольных пульверизаторах и холодильниках (так называемые фреоны или хладоны). Считалось, что выбросы ХФУ безвредны.

Однако в 1974 г. профессор Калифорнийского университета Шервуд Ро­ уленд и его ассистент Марио Молина в журнале Nature опубликовали первое научное сообщение о том, что ХФУ обладает озоноразрушающими свойства­ миVОни показали, что часть ХФУ перемещается в стратосферу, где они могут разрушаться ультрафиолетовым излучением. Каждый атом выделившегося лз ХФУ хлора сталкивается с молекулой чрезвычайно неустойчивого озона.

Большая часть хлора, используемого человеком, например для очистки воды, представлена его растворимыми в воде соединениями или ионами. Следовательно, они вымываются из атмосферы осадками задолго до того, как попасть б атмосферу. ХФУ - исключение. Они очень летучи и нераство­ римы в воде. Поэтому из атмосферы они не вымываются и, продолжая пе­ ремещаться в ней, достигают стратосферы, где подпадают под действие ультрафиолетового излучения. В обычных условиях ХФУ относительно инертны, негорючи и неядовиты. При комнатной температуре будучи газа­ ми они ожижаются при небольшом давлении с выделением тепла, а испаря­ ясь, вновь его поглощают и охлаждаются. Эти свойства ХФУ позволили ши­ роко применять их в промышленности. Они используются во всех холодиль­ никах, кондиционерах воздуха и тепловых насосах в качестве хладагентов. Пбскольку эти приспособления ломаются и затем выбрасываются, содержа­ щиеся в них ХФУ попадают в атмосферу.

В научной литературе различают хлорфторуглеродные (ХФУ) и хлорфторуглеводородные (ХФУВ) соединения. В первых из них все, а во вторых не все атомы водорода замещены атомами хлора и фтора. Хлорфторугле­ родные соединения открыл в 1928 г. химик корпорации “Дюпон” Томас Мидгли (он придумал также тетраэтилсвинцовую добавку к бензину). Он назвал их фторуглеродами, хотя они содержали один или несколько галоге­ нов (фтор, хлор, бром, иод). Позднее, поскольку в состав химикатов, исполь­ зуемых в аэрозольных упаковках, вошли главным образом хлор и фтор, их стали называть хлорфторуглеродами. В 1929 г. первый завод по выпуску фторуглерода был пущен в действие, а “фреон” стал торговым названием нового класса фторуглеродов, которое ему дали Дюпоны. Согласно данным Совета по охране природных ресурсов США, аэрозольные упаковки в 1974 г. применялись для косметических товаров, парфюмерии, дезодоран­ тов, средств для мытья окон, освежителей воздуха, инсектицидов, смазок, средств для очистки от смазок, упаковок для продуктов, различных средств по уходу за автомобилем, ветеринарных препаратов.

Вторая область применения ХФУ —производство пористых пластмасс. ХФУ подмешивают в жидкие пластмассы при повышенном давлении (они растворимы в органических веществах). Когда давление понижают, они

вспенивают пластмассу (как углекислый газ воду) и при этом улетучивают­ ся в атмосферу.

Третья основная область их применения —электронная промышлен­

ность, а именно - очистка компьютерных микросхем. После этого ХФУ также попадают в атмосферу.

В качестве интересного факта следует отметить, что ученые, первыми начавшие занимать­ ся озоновым слоем, не были географами или метеорологами: Пауль Крутцен по первой М ппиня^у0™ инженер по мостам и водоводам, Шервуд Роуленд - радиохимик, а Марио

лизаний R гппп^"ТеХН0Л0Г ^ Т° К вопросу 0 быстРОй смене научных направлений и специа­

лизации в современном мире.

Наконец, в большинстве стран ХФУ до сих пор используют в качестве носителей в аэрозольных баллончиках, которые распыляют ХФУ в воздухе.

При прямой реакции озона с хлором образуется обычный кислород и ра­ дикал СЮ", который вновь участвует IBразрушении озона, что позволяет го­ ворить о каталитическом характере процесса. Поэтому небольшое количе­ ство хлора может наносить значительный ущерб озоновому экрану, причем это влияние будет продолжаться неопределенно долго, так как атомы хло­ ра покидают стратосферу очень медленно.

Таким образом в 70-е годы XX в. стало ясно, что оксиды азота и хлорфторуглероды являются потенциальными разрушителями озонового слоя. В 1996 г. Шервуду Роуленду, Марио Молина и Паулю Крутцену была за это открытие присуждена Нобелевская премия.

Более чем ХФУ угрожают озону ‘Талоны”, используемые как средства пожаротушения. В них наряду с атомами хлора присутствуют атомы брома, в несколько раз более интенсивно разрушающие озон, чем хлор.

Почти безопасны для озона фторуглеродные и фторуглеводородные со­ единения, не содержащие атомов хлора и брома, так как атомы фтора - очень активного в химическом отношении элемента - озон почти не разру­ шают. Поэтому такие соединения начали использовать как заменители озо­ ноопасных ХФУ.

Вместе с С 0 2 ХФУ вносят свой вклад в создание парникового эффекта в атмосфере, так как они поглощают инфракрасное излучение в той облас­ ти (700-1300 нм), в которой С 02 его пропускает. Разрушение озона в стра­ тосфере приводит к разогреванию тропосферы, вследствие того, что все больше богатых энергией ультрафиолетовых лучей проникает в тропосфе­ ру и поглощается в ней. Влияние ХФУ на нагрев тропосферы таит в себе еще большую опасность, чем усиление ультрафиолетового излучения вбли­ зи поверхности Земли.

Впоследнее время высказывается предположение о том, что в разруше­ нии озонового слоя участвует также и метан. В течение ряда лет концентра­ ция метана в атмосфере непрерывно растет. Достоверных теорий о меха­ низме этого влияния пока не предложено.

В1977 г. специализированная организация ООН по окружающей сре­ де - ЮНЕП - провела первую Международную конференцию по проблемам озонового экрана. В 1981 г. впервые появились данные спутниковых наблю­ дений о сокращении озонового слоя на 1%, в 1982 г. сокращение составило 5-9%, а в 1984 г. - 2-4%.

В1984-1985 гг. впервые были обнаружены зоны утончения озонового слоя (над Антарктидой), которые получили название “озоновых дыр”. По данным Британской антарктической службы, опубликованным в “Nature” в мае 1985 г. Джо Фарманом, потеря озона составила 40% и это явление по­ вторялось в конце каждой зимы Южного полушария.

Результаты прямых замеров не оставили сомнения в реальности процес­ са формирования и исчезновения озоновых дыр. Сложнее обстоит дело с объяснением этого феномена. В 1986 г. Линвуд Каллис и Мурали Натарджан высказали гипотезу о том, что разрушение озона происходит под ката­ литическим воздействием аномально высоких уровней нечетного азота, об­ разующегося при выбросе частиц с поверхности Солнца. Солнечные части­ цы стремятся проникнуть в глубь земной атмосферы у полюсов, где сопро­

тивление магнитного слоя Земли наименьшее. В течение полярной ночи не­ четный азот проникает в стратосферу, где способствует разрушению озона. Каллис предположил, что антарктическое “истощение озона может быть связано со вторым по крупности солнечным максимумом (наступающим с интервалом в 250 лет), который был отмечен в 1979 г. Согласно^этой тео­ рии, озоновая дыра должна появляться в каждом цикле солнечной активно­ сти, т.е. каждые 11 лет. Но при этом следовало ожидать, что в промежутках антарктическая атмосфера будет восстанавливаться. В отличие от химиче­ ских” теорий Крутцена, Роуленда и Молины, объяснявших утончение озо­ нового экрана влиянием химических, в большинстве своем антропогенных, веществ, теория Каллиса и Натарджана, сводившая причины этого явления к климатическим или динамическим процессам, получила название “дина­ мической”. Споры “химиков” и “динамистов” продолжаются до сих пор.

В1985 г. в Вене была одобрена Конвенция по защите озонового слоя, а

в1987 г. принят знаменитый Монреальский протокол, который с учетом по­ правок 1990 г. (Лондон) и 1995 г. (Вена) представляет собой общемировую программу действий по защите озонового слоя. Проблемы озонового слоя или “озоновой дыры” с этого времени не сходят с повестки дня.

Реакция мирового сообщества на опасность утончения озонового экра­ на, конкретизированная в Монреальском протоколе с последующими до­ полнениями, свелась к обязательным рекомендациям сокращения, а затем и полного прекращения производства веществ, разрушающих озон, еще раз со всей очевидностью показала, что экологические проблемы нельзя рас­ сматривать отдельно без связи с общемировым процессом развития.

Вкниге “Дыры в озоновой угрозе...” американцы Раджелио Мадуро и Ральфо Шауэрхаммер пишут, что «большинство стран, подписавших этот документ (“Лондонские дополнения к Монреальскому протоколу 1990 г.” - Прим, авт.), сделали это с дулом у виска... В документах подробно описаны санкции в адрес неподписавшихся. “Подписанты” вправе применять к неподписавшимся полное торговое эмбарго, включая полное прекращение им­ порта химикатов, ограничиваемых Протоколом. Экопропагандисты, разду­ вающие фреоновую угрозу, утверждают, что этим химическим веществам будет легко найти замену. Это ложь. Замена фреонов другими веществами - более сложная и дорогостоящая задача, чем это представлялось ранее...

Вденежном выражении замена фреона на другие охлаждающие агенты выльется в подорожание всех холодильных установок в 10-30 раз».

Одним из первых результатов запрета на использование фреонов ока­ жется коллапс химических производств в развивающихся странах. В этих странах нет ни средств на техническое переоснащение, ни самих техноло­ гий производства менее вредных охлаждающих агентов. Кроме того, и это важнее, в странах с жарким климатом вытеснение или удорожание быто­ вых и технических охлаждающих устройств приведет к массовым отравле­ ниям испорченными продуктами и распространению пищевых токсикоин-

фекций, что может повлечь рост смертности от голода в мире на 20-40 млн человек в год.

Одним из химических веществ, попавших в “черный список” Лондонско­ го варианта Монреальского протокола, является метилхлороформ. Это малотоксичное негорючее и невзрывчатое вещество широко применяется в электронной, авиационной, оборонной и текстильной промышленности, в

медицинской технике, в производстве аэрозолей, покрытий и адгезивов. В авиации это вещество является абсолютно незаменимым, поскольку алю­ миниевые поверхности не подвергаются очистке водно-щелочными систе­ мами. В медицинской технике метилхлороформ - единственное вещество, разрешенное для очистки полых волокон, используемых для доставки кис­ лорода в кровь в сердечной и почечной хирургии. Он также употребляется в производстве шприцов, кардиостимуляторов, искусственных суставов и других имплантантов.

Итак, всемирный запрет на применение ХФУ “высосет” из мировой эко­ номики к 2005 г. от 3 до 5 трлн долл.

Мадуро и Шауэрхаммер жестко констатируют: «Монреальский прото­ кол определяет основу того, что Джордж Буш именует “новым мировым по­ рядком”. В этом новом мире узкая элита технократов (под прикрытием эко­ логических лозунгов и при поддержке некоторых неразумных ученых-эко- логов. - Прим, авт.) будет диктовать всем нациям экологическую полити­ ку. Тот, кто ослушается, расплатится тотальным экономическим эмбарго. По существу под вывеской спасения человечества от загрязнения окружаю­ щей среды создается новый мировой колониальный режим. Экологизм стал прикрытием для захвата природных ресурсов».

В 1990 г. накануне Лондонского совещания журнал “Wall Street Journal” писал: “Всемирное соглашение... потрясет всю химическую индустрию. В результате в мире из 32 крупных поставщиков химикатов останется шесть-десять”. Действительно, запрет на фреоны подготовил почву для со­ здания одного из наиболее связанных картелей в истории торговли. Группы химических корпораций-гигантов обрели контроль не только над патенто­ ванными продуктами, но и над средствами производства.

Этот процесс хорошо готовился этими корпорациями. Мадуро и Шауэр­ хаммер пишут, что “с 1986 г. десятки миллионов долларов хлынули на сче­ та ведущих экологических групп в форме грантов от элитарных фондов”. Деньги выдавались на проведение агитационной кампании по распростране­ нию паники в связи с истончением озонового слоя и потеплением климата. Лидерами в этой кампании явились широко известные концерны “Дюпон” (США), “ICI” (Великобритания), “АТОСНЕМ” (Франция), “Showa Denko КК” (Япония).

В феврале 1989 г. Маргарет Тэтчер, бывшая в то время премьер-мини­ стром Англии, и глава “ICI” Денис Хендерсон провели в Лондоне первую конференцию по “спасению” озонового слоя. Задействовать в пропаганди­ стской кампании британских экологов оказалось чрезвычайно просто, учи­ тывая, что руководитель британского отделения Гринпис лорд Питер Мелчетт - родной внук Альфреда Монда, основателя “ICI”. Мадуро и Шауэрхам­ мер утверждают, что семья Мелчетта извлекла миллионы долларов из за­ прета на фреоны.

Альянс “Дюпон - ICI” смог монополизировать не только производство оборудования для синтеза заменителей фреона, но и захватить контроль над международным консорциумом, проводящим испытания этих заменителей.

Материалы книги Мадуро и Шауэрхаммера безусловно выглядят жест­ ко, а на фоне крупномасштабной экологической пропагандистской кампа­ нии смотрятся непривычно. Однако впервые масштаб проявившихся проти­ воречий между недостаточностью научной проработки экологических про-

блем, необходимостью системного подхода к выработке ресурсо-экологиче­ ских решений, эмоциональностью дискуссий на экологические темы и эко­ номико-политическим фоном охраны природы показан столь рельефно. И в этом безусловная заслуга авторов, рискнувших пойти против течения.

Недаром крупнейший российский авторитет по экологическим пробле­ мам акад. Н.Н. Моисеев, оценивая “озоновую опасность”, утверждал, что она “сильно преувеличена. Но во всяком случае она не так страшна, как это пытаются представить международные корпорации, заинтересованные в массовом производстве безфреоновых холодильников. В данном случае имеет место явное лоббирование или, говоря точнее, спекуляция экологиче­ ской безопасностью в интересах крупного производства”.

Не менее определенно высказался бывший в то время председателем Госкомэкологии В.И. Данилов-Данильян: “В том, что ХФУ - озоноразруша­ ющие вещества, лично у меня никаких сомнений нет... Более сложный воп­ роснасколько существенно это воздействие на озоновый слой в целом. Су­ ществует предположение, что это - естественный процесс, который, вполне вероятно, реализуется в атмосфере на протяжении сотен миллионов лет, скорее всего является циклическим, имеет непонятные для нас причины и непонятную для нас динамику. Если это предположение верно, то тогда ис­ тощение озонового слоя происходит потому, что мы находимся на той фазе цикла, которая соответствует спаду. И хотя мы усиливаем этот спад антро­ погенным воздействием, но наверняка оно не доминирует, не играет реша­ ющей роли...

Цели Монреальского протокола оказались очень хорошо соответству­ ющими интересам крупных транснациональных корпораций. Протокол подготовлен таким образом, что он дал блестящую возможность этим кор­ порациям осуществить, привлекая средства мирового сообщества, рекон­ струкцию своих предприятий. Я совершенно убежден, что постановка эко­ логических целей в значительной степени направлялась этим экологиче­ ским интересом”.

2.2.3.2.3. Антропогенное воздействие на ближний космос

Озоновый экран находится на территории ближнего космоса, или, как его называют специалисты, околоземного космического пространства (ОКП). ОКП представляет собой внешнюю газовую оболочку, окружаю­ щую Землю. Формально ОКП не входит в биосферу, и, чтобы устранить сложные терминологические недоразумения, ряд специалистов обозначают области биосферы и ОКП понятием “экосфера”. Наряду с защитой от жест­ кого ультрафиолетового излучения ОКП играет важную роль в сложных солнечно-земных взаимосвязях, от которых зависят условия жизни на Зем­ ле. К настоящему времени механизмы влияния состояния ОКП на биосферу изучены мало.

Антропогенные воздействия на ОКП начали проявляться с началом ко­ смической эры. Тем не менее становится все более ясным, что вмешатель­ ство человека в функционирование этой среды весьма опасно и уже сейчас такое воздействие оказалось существенно значительнее уровня более про­ должительного влияния на любую другую среду (приземная атмосфера, гид­ росфера, литосфера). Эта сфера является более уязвимой с точки зрения на­

рушения естественных механизмов саморегулирования, так как количество вещества в ней значительно меньше и энергетика процессов гораздо слабее, чем в приземной атмосфере, а тем более в гидросфере и литосфере.

Кроме угрозы изменений природной среды, есть другие возможные не­ гативные последствия бесконтрольной деятельности человека в космосе. К настоящему времени ОКП загрязнено огромным количеством (более 3000 т) мусора, состоящего из остатков использованных технических средств (М.Н. Власов, 1998 г.). Опасность этого загрязнения осознана специ­ алистами по космическим аппаратам, поскольку столкновения в космосе стали реальной угрозой. Так, поток мелких осколков, не зарегистрирован­ ных и не внесенных в соответствующие каталоги, на много порядков превы­ шает поток естественных метеоритных тел. Согласно ряду прогнозов, при нынешних темпах загрязнения суммарное количество твердых частиц раз­ мером более 1 см за 100 лет вырастет более чем в 2 раза.

Выделяют следующие виды антропогенного воздействия на ОКП:

- выброс химических веществ в результате работы ракетных двига­

телей; -энергетические и динамические возмущения вследствие полетов

ракет;

-загрязнение твердыми фрагментами - космическим мусором (отрабо­ тавшие спутники, элементы стыковочных узлов, разгонные блоки и т.д.);

-электромагнитное излучение радиопередающих и других промышлен­

ных систем;

-перемещение загрязнителей из приземной атмосферы;

-радиоактивное загрязнение и жесткое излучение от ядерных энергети­ ческих установок, используемых в космических аппаратах.

Наиболее опасным с точки зрения изменения состояния ОКП считают выброс химических веществ. В основном они представлены газообразными продуктами, имеющими высокую температуру и скорость вблизи сопла раке­ ты, поэтому происходит быстрое гидродинамическое расширение массы вы­ брасываемого газа с его последующим охлаждением до температуры окружа­ ющей среды. Вследствие этих процессов в верхней части атмосферы вдоль всей траектории полета ракеты формируется газовое облако сложного хими­ ческого состава, компоненты которого взаимодействуют с компонентами верхней части атмосферы и ионосферы. Основные продукты выброса ракетвода и диоксид углерода. В результате полета одной ракеты типа “Протон” в ОКП поступает около 100 т воды и более 90 т диоксида углерода. Для систе­ мы “Шаттл” эти величины составляют 470 и 110 т соответственно.

На высоте свыше 90-100 км молекулы воды диссоциируют под воздей­ ствием ультрафиолетового излучения с образованием атомарного водорода. Выброшенный газ расширяется, претерпевает ряд превращений и распро­ страняется на расстояние от сотен до десятков тысяч километров. Ключе­ вым является процесс диффузионного расплывания облака водорода.

Расчеты показывают, что даже через 10 суток после пролета ракеты “Протон” в верхней атмосфере сохраняется избыток антропогенного водо­ рода. При пролете ракеты “Шаттл” в случае ее регулярных пусков с интер­ валом в Ю суток происходит стационарное глобальное увеличение концен­ трации водорода, превышающее фоновые уровни на высоте более 200 км на десятки процентов.

Молекулы воды и диоксида углерода, которые выбрасываются в верх­ нюю атмосферу при работе ракетных двигателей, активно взаимодейству­ ют с ионами кислорода ионосферы, причем их реобразование происходит гораздо быстрее, чем в естественных условиях. Вследствие этого резко воз­ растает скорость рекомбинации ионосферной плазмы и падает концентра­ ция заряженных частиц, т.е. образуются так называемые ионосферные ды­ ры. Наиболее крупномасштабные дыры были обнаружены после запуска ракет “Сатурн-5”: горизонтальные размеры дыр составили тысячи километ­ ров, а концентрация электронов в них уменьшилась в несколько раз. Перво­ начально ионосферные дыры образовались над территорией США, а позже были обнаружены над Западной Европой и территорией б. СССР.

Диоксид углерода, который распространяется на сотни километров от траектории движения ракеты, как известно, играет важнейшую роль в теп­ ловом балансе биосферы. Можно сказать, что этот баланс устанавливается в результате нагрева ультрафиолетовым излучением и охлаждения инфра­ красным излучением, значительная часть которого обусловлена молекула­ ми диоксида углерода. Хотя все возможные последствия изменения концен­ трации диоксида углерода под влиянием антропогенного воздействия труд­ но прогнозировать, совершенно ясно, что естественные процессы в ОКП будут нарушены.

Исследование влияния полетов ракет на озоновый слой показало, что при ежемесячных пусках “Шаттла” (что примерно соответствует существу­ ющему сейчас режиму) в течение 4 лет общее содержание озона снизится на 0,3% для средних широт и на 0,4-0,5% - для высоких. Запуски ракет “Шаттл” и “Энергия” могут вызвать глобальное уменьшение содержания озона, сравнимое с долголетними изменениями.

Что касается антропогенного выделения энергии, то полагают, что мощность антропогенного источника на сегодняшний день составляет при­ мерно 10% естественного и оно не должно вызвать резкой перестройки ди­ намики верхней атмосферы. Радиоактивное загрязнение ОКП, возникаю­ щее вследствие использования ядерных энергетических установок на косми­ ческих аппаратах, также ныне не представляет угрозы. Тем не менее неиз­ бежно будет происходить осаждение радиоактивных веществ из ближнего космоса в приземную атмосферу и далее на поверхность Земли.

Специалисты считают, что сохранение ОКП как внешней защитной оболочки Земли возможно только при ограничении числа пусков ракет и принципиального изменения технических средств и методов выведения кос­ мических аппаратов на орбиту. В противном случае ОКП может оказаться полностью разрушенным.

2.2.3.3. ЗАГРЯЗНЕНИЯ И ВЫБРОСЫ

Загрязнение стало обыденным словом, наводящим на мысли об отрав­ ленных воде, воздухе, земле. Однако на самом деле эта проблема является более сложной. Загрязнению невозможно дать простое объяснение, так как оно может включать сотни факторов, связанных с самыми разными источ­ никами. Одно из определений звучит как “неблагоприятное изменение на­ шего окружения, являющееся полностью или в основном побочным резуль­ татом деятельности человека” (Б. Небел, 1994 г.). Некоторые изменения,

такие, как загрязнение воздуха или питьевой воды, могут непосредственно влиять на здоровье и самочувствие человека. Другие чреваты косвенными последствиями.

Эколог из США Эдуард Кормонди подчеркивает: “Загрязнители - нор­ мальные побочные продукты деятельности человека как чисто биологиче­ ского вида, так и социального существа. Они представляют собой органиче­ ские и неорганические отходы метаболизма и пищеварения, а также дея­ тельности по выращиванию и защите урожая, обогреву домов, производст­ ву одежды, овладению ядерной энергией. Решить эту проблему невозможно простым устранением причин, так как пока существует человек, будут и по­ бочные продукты его жизнедеятельности. Ответ скорее кроется в разумном управлении производством и в контроле за неблагоприятными изменениями нашего окружения”.

Действительно, каждый организм в естественной экосистеме произво­ дит потенциально загрязняющие среду отходы. Устойчивость экосистемы обусловлена тем, что отходы одних организмов становятся пищей или “сырьем” для других. В сбалансированных экосистемах отходы не накапли­ ваются до уровня, вызывающего “неблагоприятные изменения”, а разлага­ ются и рециклируются. На протяжении большей части своей истории люди избавлялись от производимых ими отходов за счет таких же природных про­ цессов. Таким образом природа работала за человека. Ныне положение рез­ ко изменилось. Демографический взрыв в сочетании с бурным экономиче­ ским ростом привели к поступлению в окружающую среду такого количе­ ства отходов, которое превышает возможности самоочищения естествен­ ных экосистем. Проблему усугубляет производство все больших количеств и типов небиодеградирующих материалов, которые лишь с трудом разруша­ ются и ассимилируются в результате естественных процессов.

Поведение отходов в окружающей среде разнообразно, оно существен­ но влияет на ход химических процессов в атмосфере, водоемах и на суше (см. раздел 2.3.3.1). Используя модель устойчивого состояния, каждую из этих сред можно представить в качестве резервуара. Однако знаний о пре­ вращениях в рамках отдельного резервуара недостаточно для того, чтобы оценить влияние отходов на биосферные процессы. Процессы в резервуарах существуют не в изоляции. Между отдельными резервуарами имеют место крупные и продолжительные потоки химических веществ. Более того, вы­ нос материала из одного резервуара может мало повлиять на него, но иметь очень сильное воздействие на “принимающий” резервуар. Например, при­ родный поток восстановительной газообразной серы из океана в атмосфе­ ру практически не влияет на химизм морской воды, но играет ведущую роль в химии кислот и оснований в атмосфере, а также влияет на количество об­ разующихся облаков.

При обсуждении химического аспекта накопления разнообразных отхо­ дов деятельности человека важно различать типы воздействия на системы Земли. Здесь можно выделить две глобальные категории:

1. Изменения в природных круговоротах в результате добавления или удаления присутствующих в них, “знакомых Природе” химических веществ из-за избыточных циклических и/или антропогенных воздействий. Такой тип изменений может быть проиллюстрирован на примерах поведения угле­ рода, серы, азота, фосфора. Круговорот этих элементов имел место в тече-

ние всейисгории Земли. За последние несколько сотен лет человеческая де­ ятельность нарушила круговороты этих элементов. Антропогенное влияние на природные циклы копирует, а в некоторых случаях усиливает и ускоряет

то, что делает Природа.

2. Поступление в окружающую среду необычных, тгезнакомых Приро­ де” техногенных химических веществ. Влияние этих экзотических ве­ ществ на окружающую среду предсказать, сложно, поскольку не существует подобных им природных соединений, чье поведение уже изучено. Новое ве­ щество может оказаться безвредным, но недостаток знаний может привес­ ти к непредриденным, а норой и пагубным последствиям. Например, уже упоминавшиеся хлорфторуглероды из-за химической инертности считают абсолютно безвредными для окружающей среды. Это оказалось верным для всех природных резервуаров, за исключением верхних слоев атмосферы (стратосферы), где они подвергаются распаду под влиянием солнечного из­ лучения, что приводит к разрушению озона и утончению озонового экрана.

Далее будут рассмотрены некоторые аспекты поведения антропогенных

отходов в биосфере.

В отходы жизнедеятельности человека входят выбросы в атмосферу и водоемы и твердые техногенные и бытовые отходы, скапливающиеся на по­ верхности Земли. Деление отходов на выбросы и собственно отходы весьма условно.

2.2.33.1. Ядохимикаты и опасные отходы

Опасные явления, связанные с “жизнью” отходов. Наиболее опасные побочные продукты деятельности человека отличаются способностью к биоаккумуляции. Она заключается в том, что малые, кажущиеся безвред­ ными дозы, получаемые в течение длительного периода, накапливаются в организме, создают в итоге токсичную концентрацию и наносят ущерб здо­ ровью. Биоаккумуляция происходит, во-первых, из-за отсутствия биодегра­ дации. Например, тяжелые металлы, как простые элементы, невозможно разрушить или преобразовать в ходе химических процессов. Хлорсодержа­ щие углеводороды разлагаются при очень высокой температуре, но в боль­ шинстве случаев в организме нет ферментов, способных их расщепить. Вовторых, эти вещества легко поглощаются, а если и выводятся, то крайне медленно. Организм не способен освобождаться от них с мочой, поскольку тяжелые металлы прочно связываются с белками, а галогенированные уг­ леводороды растворяются в жирах гораздо лучше, чем в воде. В результате, поступая с воздухом, пищей и жидкостями, эти вещества удерживаются и на­ капливаются в организме, как в фильтре.

Биоаккумуляция может усугубляться в пищевой цепи. Организмы, на­ ходящиеся в ее начале, поглощают ядохимикаты из внешней среды и акку­ мулируют их в своих тканях. Питаясь этими организмами, животные сле­ дующего трофического уровня получают исходно более высокие дозы, на­ капливают более высокие концентрации. В результате на вершине данной пищевой цепи концентрация ядохимикатов в организмах может стать в 105 раз выше, чем во внешней среде. Такое накопление (“обогащение”) ве­

щества при прохождении через трофическую цепь называют биоконцент­ рированием.

вредят организму, организм как бы терпит их присутствие, однако с увели­

чением концентрации отклик становится негативным.

Многие ксенобиотики угнетающе действуют на организм при любых концентрациях (кривые б, в на рис. 2.4). Наличие их в организме в любых сколько-угодно малых количествах вызывает отрицательный отклик, поэ­ тому на кривых б и в нет такого плато приспособляемости. Если сравнивать токсичность ксенобиотиков типа а и типа б или в, то в первом случае ток­ сичность проявляется только после точки 2. Итак, токсичность - это свой­ ство которое зависит от концентрации. Для веществ, характеризующихся кривыми бив, токсичность больше у последнего, так как кривая отклика у него спадает более круто. Таким образом, собственно токсичность можно определить как крутизну кривой отклика при данном значении концентра­ ции, т.е. по значению производной отклика по концентрации, взятой с отри­ цательным знаком (-dN/dC). Отсюда следует, что токсичность одного и то­ го же вещества не является постоянной величиной, а зависит от различных факторов, в первую очередь от концентрации этого вещества в организме.

Приведенные кривые отклика позволяют выделить два основных типа

токсичных веществ:

1. Абсолютно токсинные - вещества, токсичные при любых концент­ рациях (кривые б и в на рис. 2.4). К абсолютно токсичным веществам отно­ сятся только ксенобиотики.

2. Ограниченно токсичные - все остальные химические вещества. Для них существует плато приспособляемости. Среди них могут быть как веще­ ства, участвующие во внутреннем кругообороте организма, так и ксенобио­ тики (тип а на рис. 2.4). Для ограниченно токсичных веществ можно ввести концентрацию, которая определяет величину плато приспособляемости, на­ чиная с которой они проявляют токсичные свойства. Эта концентрация со­ ответствует точке 2 на рис. 2.3,2.4 и называется предельно допустимой кон­ центрацией (ПДК). ПДК - это количественный критерий токсичности, по­ казывающий устойчивость организма по отношению к данному веществу. Чем выше ПДК, тем выше эта устойчивость (или больше величина поля ус­ тойчивости). Для абсолютно токсичных веществ ПДК равна нулю, поэтому по отношению к ним организм не имеет поля устойчивости.

Кроме ПДК, существует довольно много иных способов дать количест­ венное определение токсичности. Рассмотрим их более подробно.

Прежде всего отметим, что изучение токсичности на одном, отдельно взя­ том организме не имеет никакого смысла. Каждый организм имеет индивиду­ альные особенности, иногда значительные. Поэтому выводы, сделанные для одного организма, могут оказаться непригодными для другого. Значит, коли­ чественные критерии можно изучать только методами статистики на заведо­ мо достаточной выборке организмов одного и того же рода. Понятно, что це­ ленаправленные опыты по определению токсичности ставятся на животных, по реакциям на внешнее воздействие наиболее похожих на человека.

Количественные критерии токсичности чаще всего характеризуются ли о дозой, т.е. количеством вещества в расчете на организм или на едини­

цу массы организма, либо концентрацией вещества в воздухе, воде или пи­ ще, поступающих в организм.

Допустимая суточная доза (ДСД) - количество вещества, поступаю-

Гпе„ Г РГаНИЗМ 33 СУ™И В течение среднего срока жизни и не вызывающее видимых последствий.

Пороговая доза (ПД), или пороговая концентрация (ПК), - может быть определена для однократного введения вещества в организм, которое назы­ вается острым воздействием, или для многократного введения, называемо­ го хроническим. В обоих случаях это количество вещества (или его концен­ трация), вызывающее наблюдаемые (явные), но обратимые изменения.

Летальная доза (ЛД), или летальная концентрация (ЛК), - количество вещества, вызывающее гибель организма. Учитывая, что все критерии ток­ сичности носят статистический характер, летальную дозу представляют в одном из двух вариантов:

- летальная доза 100%-ной гибели - ЛДюо (летальная концентрация 100%-ной гибели ЛК100) - доза (концентрация), при которой гибнет 100% ис­ пытуемых животных;

- летальная доза 50%-ной гибели - ЛД50 (и соответственно ЛК50) - доза (концентрация), при которой гибнет 50% животных.

Приведем примеры ЛД100 для некоторых веществ: цианистый калий KCN —10 мг/кг;

стрихнин - 0,5 мг/кг; природные растительные яды, содержащиеся в микроводорослях и ко­

раллах:

майтотоксин - 2 • 1СИ мг/кг; палитоксин - 5 1(Н мг/кг.

Чем больше ЛД|Ш, тем менее токсично вещество, поэтому природные растительные яды оказываются во много раз более токсичными, чем всем известные яды - цианистый калий и стрихнин.

При одинаковых значениях ЛД вещество тем токсичнее, чем быстрее наступает гибель организма. Поэтому дополнительно к летальным дозам (или концентрациям) вводят временною характеристику - время 100%-ной гибели Г100 или время 50%-ной гибели tx .

Кроме указанных, вводят дополнительные критерии токсичности:

- величина зоны острого (хронического) токсичного действия - это от­ ношение ЛДя/ПД при остром (хроническом) воздействии. Чем эта величи­ на больше, тем безопаснее вещество;

- коэффициент возможного ингаляционного отравления - это мера эф­ фективной токсичности, равная отношению максимально достижимой кон­ центрации вещества в воздухе при 20 °С к средней смертельной концентра­ ции при времени действия 120 мин.

Приведенные количественные критерии токсичности призваны обеспе­ чить систематизацию веществ по степени их опасности для человека. Одна­ ко их определение встречается с рядом трудностей, связанных с самим объ­ ектом изучения. Ведь речь идет о функционировании живых организмов, которое зависит от многочисленных внешних и внутренних факторов. Пе­ речислим некоторые, самые распространенные трудности, возникающие при определении различных доз или концентраций.

1. Критерии определяются при изучении влияния данного вещества на животных, а затем с учетом поправок переносятся на человека. Однако пол­ ностью учесть отличия в реакциях человека и животных на введение данно­ го вещества вряд ли возможно, поэтому любые количественные характери­ стики токсичности часто имеют оценочный характер.

2. При попадании в организм сразу нескольких токсичных веществ ино­ гда происходит усиление влияния какого-либо из них или даже каждого (си-

Таблица 2 2 4

Количественные характеристики классов опасности токсичных веществ

нергический эффект). Учесть данный фактор количественно очень трудно, так как критерии токсичности для различных веществ при влиянии на один

итот же организм складываются неаддитивно.

3.Для определения заданного критерия, в частности летальной концен­ трации, необходимо измерить концентрацию токсичного вещества в тканях погибшего организма. Эта практическая задача далеко не всегда разрешима из-за требования обнаружения низких и сверхнизких концентраций.

Указанные трудности в определении количественных критериев токсич­ ности приводят к тому, что существует несколько способов систематизации и классификации токсичных веществ. В России в настоящее время принята классификация, которая включает четыре класса токсичных веществ по сте­ пени опасности для человека: класс I - чрезвычайно опасные; класс П - высо­ коопасные; класс П1умеренно опасные; класс IV - малоопасные. Количест­ венные критерии классов опасности приведены в табл. 2.24.

К особо опасным отходам, или ядохимикатам, относятся главным обра­ зом искусственные вещества. Основные из них - токсичные элементы и син­ тетические органические соединения.

Токсичные элементы. Ранее других были определены опасные для здоро­ вья свойства некоторых, в основном тяжелых, металлов. Поэтому отдельные литературные источники ограничивают перечень опасных веществ только этими металлами. В последнее время выявлены другие элементы, также об­ ладающие токсичными свойствами (легкие металлы - литий, бериллий, алю­ миний и др., металлоиды - мышьяк и др.). Поэтому правильнее обозначать эту группу опасных веществ общим определением “токсичные элементы”

Как уже говорилось, наиболее всесторонне изучено действие на живые ор­ ганизмы металлов. Металлы имеют большое значение в существовании живо­ го вещества. В физиологии микроорганизмов, растений и животных они игра­ ют двойную роль. Если какие-либо металлы не распространены в нормальном

Таблица 2.25

Необходимые для организма человека и животных ионы металлов

природном окружении, они становятся токсичными при сравнительно низких концентрациях. В водной среде эта токсичность заслуживает особого внима­ ния. С другой стороны, недостаток металла рассматривается обычно как неко­ торый фактор, ограничивающий продукцию живых организмов. Таким обра­ зом, загрязнение окружающей среды может действовать в двух направлениях: с одной стороны, устранять помехи в доступности нужных металлов; с другой - повышать поступление металлов до их токсичного уровня.

В зависимости от их поведения в живых организмах следует различать пять типов веществ. Необходимым для организмов считают вещество, при не­ достатке которого в организме возникают функциональные нарушения, уст­ раняемые путем введения в организм этого вещества. Необходимость - свой­ ство, зависящее от типа организма, и ее следует отличать от стимуляции. Из­ вестно много примеров, когда в качестве стимулятора выступают как необ­ ходимые, так и не необходимые ионы металлов. Некоторые металлы и ионы металлов при определенных концентрациях являются инертными^ безвредны­ ми и не оказывают какого-либо действия на организм. Поэтому инертные ме­ таллы - Та, Pt, Ag, Au - часто используют в качестве хирургических импланта­ тов. Многие ионы металлов могут служить терапевтическими azeumaMu\ из­ вестно использование соединений ртути против паразитов, карбоксилатов цинка против бактерий, вызывающих различные заболевания, лития при ма­ ниакальной депрессии. При высоких концентрациях большинство металлов становятся токсичными, причиняют вред организму, иногда необратимый.

Перечень ионов металлов, необходимых для организма человека и жи­ вотных, приведен в табл. 2.25.

Предельно допустимые или ориентировочно допустимые концентрации тяжелых металлов в природных средах

* Среднесуточная.

Изучение специфических механизмов детоксикации в отношении ионов металлов находится на ранней стадии. Также пока трудно указать ме­ ханизм приобретения металлом токсичных свойств. Токсичность метал­ ла обычно не связана с его необходимостью. Однако для токсичности и необходимости имеется одна общая черта: как правило, существует вза­ имосвязь ионов металлов, равно как и зависимость между ионами метал­ лов и неметаллов, в общем вкладе в эффективность их действия. Доступ­ ность же ионов металлов зависит от их взаимодействия с потребляемой пищей; простая адекватность диеты этому положению не удовлетворяет. Так, железо из овощей абсорбируется плохо из-за присутствия в них ком­ плексообразующих лигандов, а избыток ионов Zn2+ может ингибировать абсорбцию Си2+. Сходным образом токсичность Cd2+ проявляется ярче в системе с недостаточностью по Zn2+, а токсичность РЬ2+ усугубляется не­ достаточностью по Са2+. Такой антагонизм и взаимозависимость сильно осложняют попытки проследить и объяснить причины необходимости и токсичности.

Более чем в 100 городах нашей страны концентрации металлов значи­ тельно превышают предельно допустимые по санитарным нормам уровни (табл. 2.26). Наиболее высокий индекс загрязнения в городских условиях по­ лучен по тяжелым металлам, среди которых превалирует свинец, ртуть, хром и никель.

Проблема “металлического пресса” в городах особенно актуальна в свя­ зи со способностью тяжелых металлов кумулироваться в организме челове­ ка, вызывая отдаленные последствия, такие, как мутагенные, канцероген­ ные, тератогенные, и обладая эмбрио- и гонадотоксическими свойствами.

Токсичные элементы могут присутствовать в атмосфере, гидросфере и литосфере.

Загрязнение атмосферы

Техногенная доля цинка и меди в атмосфере составляет примерно 75%, кадмия и ртути - 50, никеля - 30, кобальта - 10%. Наиболее высокая эмис­ сия в атмосфере характерна для свинца; по различным оценкам, она состав­ ляет от 50 до 80%. Главными антропогенными источниками поступления то­ ксичных элементов в атмосферу являются предприятия по производству цветных металлов и сплавов, нефтепереработки, автомобильный транс­ порт, химическая промышленность.

Выбросы наиболее опасных вредных веществ в воздушную среду городов России в начале 1990-х гг.

По степени опасности вредные элементы, выбрасываемые в атмосфер­ ный воздух, подразделяют на два класса: 1 ) чрезвычайно опасные и 2 ) высо­ коопасные; к чрезвычайно опасным относятся почти все тяжелые металлы (табл. 2.27).

В атмосферном воздухе тяжелые металлы присутствуют в форме орга­ нических и неорганических соединений, в виде пыли и аэрозолей, а также в газообразной форме (ртуть). При этом аэрозоли Pb, Cd, Си, Zn состоят пре­ имущественно из субмикронных частиц диаметром 0,5-1 мкм, а аэрозоли Ni, Со - из крупнодисперсных (>1 мкм) частиц, которые образуются в основном при сжигании дизельного топлива.

Ртуть в атмосферном воздухе существует в основном (90-97%) в элемен­ тарной форме. Количественные оценки ее антропогенного поступления не­ однозначны. Установлено, что при производстве цветных металлов и спла­ вов образуется 90% Hg и 10% Hg2+. Ртуть поступает в атмосферу в виде ме­ тилированных производных, при этом на воздухе они быстро превращают­ ся в элементарную форму. Концентрационные уровни ртути для городских зон составляют 2,9-34 нг/м3. Учитывая, что из всех видов тяжелых метал­ лов, регулярно попадающих в организм человека, 2 0 % поступают из возду­ ха, небезынтересно знать, какова величина ПДК ртути в воздухе рабочей зоны (ПДКрз) и атмосферном воздухе (ПДКСС) (табл. 2.28).

Атмосферное загрязнение в первую очередь снижает сопротивляемость организма, результатом чего становятся повышенная заболеваемость и дру­ гие физиологические изменения. По сравнению с источниками химического загрязнения (пища, питьевая вода) атмосферный воздух представляет для человека особую опасность, поскольку на его пути нет заслона, подобного печени при проникновении загрязняющих веществ через желудочно-кишеч­ ный тракт. Доля влияния загрязнения атмосферного воздуха на заболевае­ мость системы органов дыхания составляет 2 0 %, системы кровообраще­ ния - 9%.

Основные механизмы выведения токсичных элементов из атмосферы — вымывание с атмосферными осадками и осаждение на подстилающую по­ верхность. В осадках эти элементы присутствуют в растворимой (соли, ком­ плексные ионы) и малорастворимой формах. Но, как правило, преобладают вторые формы, что, вероятно, обусловлено наличием в атмосфере кислых осадков серы и азота, способствующих образованию растворимых соедине­ ний с металлами.

Таблица 2.28

Гигиеническое нормирование некоторых тяжелых металлов в воздухе

П ри м ечан и е. Прочерк означает, что ПДК не установлена.

По степени обогащения атмосферных осадков металлы располагаются в следующем порядке: Zn > Pb > Cd > Ni. Средние уровни свинца в осадках составляют: 1 2 мкг/л для сельских районов (не подверженных урбанизации), 0,09 мкг/л для полярных областей и акваторий океанов, 44 мкг/л для урба­ низированных районов.

Загрязнение гидросферы

Тяжелые металлы относятся к числу распространенных и весьма ток­ сичных загрязняющих веществ. Они широко применяются в различных про­ мышленных производствах, поэтому, несмотря на очистные мероприятия, содержание соединений тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое. Большие массы этих соединений поступают в океан че­ рез атмосферу. Тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном, а затем передаются по пищевой цепи более высокоорганизованным организмам. Токсический эффект некоторых наиболее распространенных загрязните­ лей гидросферы представлен в табл. 2.29.

В водных средах тяжелые металлы присутствуют в трех формах; взвешенной, коллоидной и растворенной; последняя представлена свободными ионами и растворимыми комплексными соединениями с органическими и неорганическими лигандами. Значительная часть тяжелых металлов пере­ носится поверхностными водами во взвешенном состоянии. Так, количество меди, связанной с твердыми частицами, может достигать 9 7 % ее общего со­ держания в воде. В озерах и водохранилищах содержание взвешенных форм существенно меньше, чем в реках.

мОтходь1»содержащие ртуть, свинец, медь, локализованы в отдельных районах у берегов, однако некоторая их часть выносится далеко за пределы территориальных вод. Около половины годового промышленного произ­ водства ртути различными путями попадает в океан. В районах, загрязняе­ мых промышленными водами, концентрация ртути в растворе и взвесях сильно повышается. При этом некоторые бактерии переводят хлориды рту-

Степень токсичности некоторых тяжелых металлов для основных групп морских организмов

П р и м е ч а н и е . Степень токсичности: -- - отсутствует; + - очень слабая; -и- - слабая; +++ - сильная;

++++ - очень сильная.

ти в высокотоксичную метиловую ртуть. Загрязнение ртутью значительно снижает первичную продукцию морских экосистем, подавляя развитие фи­ топланктона. Отходы, содержащие ртуть, обычно скапливаются в донных отложениях заливов. Дальнейшая ее миграция связана с включением ртути в трофические цепи водных организмов.

Наиболее токсичны для человека и биоты ртутьорганические соедине­ ния, доля которых в воде составляет 46% общего содержания ртути. Как не­ органические, так и органические соединения ртути высокорастворимы. Среди неорганических комплексов наиболее растворимы и устойчивы хлоридные, а среди органических - фульватные. Характерная особенность рту­ ти состоит в том, что в водных растворах она легко гидролизуется даже в слабокислых средах. В речных водах ртуть мигрирует преимущественно во взвешенном состоянии, доля взвешенных форм в речных водах составляет 83-96%, в озерных водах - 10-13 и в морских - 60-96%.

Печальную известность приобрела болезнь Минамата, впервые обнару­ женная японскими учеными у людей, употреблявших в пищу рыбу, вылов­ ленную в заливе Минамата, в который бесконтрольно сбрасывали промыш­ ленные стоки с техногенной ртутью.

В отличие от других металлов ионы Ni2+ и Со2+ в природных водах под­ вержены гидролизу в меньшей степени. Свинец в водных экосистемах нахо­ дится в основном в виде соединений РЬ2+, он сравнительно легко вступает в реакции с присутствующими в воде примесями, образуя малорастворимые соединения.

Необходимо отметить, что в последние десятилетия заметно изменился химический состав не только поверхностных, но и подземных вод. Основ­ ные причины этого - загрязнение наземных водоемов и закачка в глубокие водоносные горизонты высокотоксичных отходов производства. Усилен­ ный отбор подземных вод для бытовых и промышленных нужд в крупных городах способствует инфильтрации загрязненных вод из поверхностных водоемов и загрязнению водоносных горизонтов.

Загрязнение педо- и литосферы

Почва не обладает таким свойством подвижности, как атмосфера и вод­ ная среда, и более подвержена загрязнениям. Уровни содержания тяжелых металлов в почвах зависят от окислительно-восстановительных и кислотно­ основных свойств последних. Исследования показали, что тяжелые метал-

Классы опасности металлов, попадающих в почву из выбросов, сбросов

лы в почвах содержатся в водорастворимой, ионообменной и непрочно ад­ сорбированной формах. Особенно высокие концентрации тяжелых метал­ лов в почвах могут наблюдаться вокруг больших городов, крупных предпри­ ятий, в районах расположения рудников и автомагистралей на расстоянии в несколько десятков километров. Классы опасности некоторых металлов приведены в табл. 2.30.

Тяжелые металлы малоподвижны в почве, поэтому из почвы их удаля­ ют вместе с загрязненным слоем, либо с помощью доступных хелатообразу­ ющих реагентов. При этом металлы переходят в лабильную форму и опус­ каются в почве на уровень ниже корневой системы растений.

Загрязнение почвы, воды и воздуха тяжелыми металлами представляет собой опасность как в глобальном, так и в региональном масштабе. Значи­ тельное обогащение природной среды свинцом, ртутью, кадмием наряду с низким природным уровнем этих металлов в биосфере и высокой токсично­ стью требует постоянного контроля за их содержанием не только в объек­ тах окружающей среды, но и в пищевых продуктах.

Загрязнение пищевых продуктов

Очевидно, что загрязнение пищевых продуктов тяжелыми металлами представляет наибольшую опасность, когда они присутствуют в продуктах питания в повышенных концентрациях и доступных формах. Обычно это наблюдается в сельскохозяйственных культурах, выращиваемых на полях вблизи промышленных предприятий или в случае полей, загрязненных го­ родскими отходами и продуктами переработки.

У растений устойчивость к действию тяжелых металлов выше, чем у людей и животных. В растениях металлы могут отлагаться в клеточных стенках (целлюлоза) или в клеточных вакуолях с образованием хелатов. В этих случаях тяжелые металлы становятся физиологически неактивными для растений. Растения могут нормально развиваться благодаря их специфи­ ческому механизму обеззараживания даже при таких концентрациях метал­ лов, которые для человека являются токсичными.

Поглощение металла и его аккумуляция растением зависят от вида пос­ леднего. Кроме того и в самих растениях металлы распределяются неравно­ мерно. Так, медь и цинк концентрируются преимущественно в корнях рас­ тений, тогда как кадмий накапливается в листьях.

Возрастающее загрязнение воздушной среды, воды, почвы, продуктов питания тяжелыми металлами оказывает прямое влияние на человека. Это можно представить в виде схемы круговорота в природе загрязняю­ щих веществ, на которой показана тесная связь окружающей среды с че­ ловеком (рис. 2.5). Поступление тяжелых металлов по пищевой цепи мож-

Рис. 2.5. Круговорот загрязняющих веществ в природе

но минимизировать выращиванием на загрязненных полях только кормов для животных или таких культур, которые используются для питания че­ ловека в малых дозах.

Характеристика некоторых токсичных элементов

Р т у т ь (Hg)

Жидкий серебристый металл. Устойчив к действию воздуха и воды, не реагирует с кислотами (за исключением HNOKOH„) и щелочами.

Биологическая роль. Отсутствует, метиловая ртуть высокотоксична. Содержание в человеческом организме:

мышечная ткань, % - (0,02—0,7)-10-5; костная ткань, % - 0,45-10-5; кровь, мл/л - 0,0078;

ежедневный прием с пищей, мг - 0,004-0,02; токсическая доза, мг - 0,4; летальная доза, г - 150-300.

Предполагается, что распространение в окружающей среде осуществля­ ется в виде круговоротов двух типов.

Круговорот первого типа является глобальным по масштабам и включа­ ет атмосферный перенос паров элементной ртути от наземных источни­ ков в Мировой океан. Однако содержание ртути в Мировом океане настоль­ ко велико (порядка 70 млн т), что ежегодное возрастание ее концентрации в результате выпадения из глобального кругооборота практически не за­ метно.

Круговорот другого типа является локальным. Он основан на процессах металлирования неорганической ртути, поступающей главным образом из антропогенных источников. Процесс металлирования неорганической рту-

та в донных отложениях рек, озер и других водоемов является ключевым звеном движения ртути по пищевым цепям водных организмов.

Ртуть занимает первое место по негативному воздействию. Одним из су­ щественных аспектов “ртутной проблемы” является объем производства металлической ртути как сырья для ряда отраслей промышленности: хими­ ческой, электротехнической, приборостроительной (термометры, маномет­ ры, вакуумметры) и т.д., равно как ее применение (ранее) для ртутьсодержа­ щих пестицидов, гербицидов и лекарственных препаратов. В б. СССР произ­ водилось около 1 2 0 0 т ртути в год, большая часть промышленных предпри­ ятий была сконцентрирована за пределами Российской Федерации. В то же время промышленными предприятиями, находящимися сейчас на террито­ рии России, используется порядка 1800 т ртути в год. Производство ртути в РФ не превышает 200 т и таким образом налицо ежегодный дефицит. Точ­ но указать процент вторично используемой ртути затруднительно, но и по самым оптимистичным оценкам он не превосходит 50%.

Учитывая экономические сложности, массовый переход промышленно­ сти на безртутные технологии в настоящее время невозможен. Несмотря на имеющиеся разработки, внедрение новых производственных процессов рас­ тянется не менее чем на 1 0 лет и, следовательно, в ближайшие годы сохра­ нится дефицит металлической ртути. Ртуть один из немногих элементов, ко­ торый находится в жидком состоянии при комнатной температуре. Хотя точка ее кипения 357 °С, она очень летуча, а поэтому и особенно опасна. В 1 м3 насыщенного при 25 °С воздуха ее содержится 20 мг; элемент этот не­ растворим в воде, предел растворимости при 25 °С равен 56 мкг/л, т.е. 56 ча­ стей на миллион.

Ртуть может находиться в двух наиболее распространенных формах Hg+ и Hg2+и одной менее распространенной - в виде ртутного иона Hgj+, кото­ рый быстро диспропорционирует на элементную и двухвалентную ртуть по

схеме: Hg^ Hg°+Hg2+

Ртуть токсична в любой форме. Глобальное ее выделение попутно с га­ зами из земной коры и океанов даже превышает количество, производимое

человеком, но промышленное выделение более локально и концентриро­ ванно.

Различные ртутные соли использовались раньше при производстве бу­ мажной массы, в качестве катализаторов пластмасс, как терапевтические средства (например, меркурбензоат для лечения сифилиса и гонореи). Ис­ пользование же ртутных реагентов в качестве инсектицидов и фунгицидов (например, гранозана мертиолята, тримерсала, меркурана) привело к силь­ ным отравлениям, затронувшим уже тысячи людей. Поэтому ртутное отра­ вление - всемирная проблема.

Хроническое отравление ртутью проявляется в нарушении нервной сис­ темы, сильной усталости, а при более сильном отравлении появляется ртутный тремор При вдыхании ртутные пары активно абсорбируются и аккумулируются в мозге, почках, яичках; ртуть преодолевает и плацентар­ ный барьер, острое отравление вызывает разрушение легких. Прием всего лишь 1 г ртутной соли смертелен. Хотя соли ртути аккумулируются в поч­ ках, они не способны, как элементная ртуть, быстро проходить кровяной или плацентарный барьер. Острое отравление при заглатывании ртути при­

водит к осаждению белков из мукомембран желудочно-кишечного тракта, вызывая боль, рвоту и понос, в тяжелых случаях смерть. Персонаж сказки “Алиса в Стране чудес” Льюиса Кэрролла сумасшедший Хаттер—это жер­ тва профессионального заболевания, вызванного отравлением солями рту­ ти, используемыми при обработке меха.

Органические производные ртути, такие, как хлорид метилртути CH3 HgCI, высокотоксичны и опасны из-за их летучести. Микроорганизмы в загрязненной воде, содержащей ртуть, легко переводят неорганические со­ единения ртути в ион метиловой ртути CH3 Hg+. Эти ионы активно абсорби­ руются и попадают в кровь и мозг, вызывая кумулятивные и необратимые нарушения центральной нервной системы.. В человеческом организме пери­ од полупребывания ртути составляет от нескольких месяцев до нескольких лет, токсичный эффект может быть скрытым, а симптомы отравления мо­ гут проявиться лишь через несколько лет.

Конечно, ртутное отравление, и профессиональное, и бытовое, издавна известно человечеству. Массированный профессиональный контакт сейчас осуществляется главным образом при ингаляции ртутных паров в процессе получения хлора (электролиз из гидроксида натрия), а также и при произ­ водстве бытовых изделий (например, термометров), для которых необходи­ ма элементная ртуть. У населения главным источником ртутного отравле­ ния являются ионы метилртути, попадающие в пищу либо при использова­ нии муки из ртутьсодержащего зерна, либо из рыбных продуктов, если ры­ ба была отравлена ртутью из промышленных отходов. Именно из-за таких массовых отравлений, скорее всего, и сократилось использование ртути в последние годы.

Каков же собственно механизм воздействия ртути? При концентрации ртути в атмосфере 50 нг/м3 ее суточное проникновение в организм челове­ ка - около 1 мкг; оно может быть выше (30 мкг) при производственном кон­ такте с парами ртути. С питьевой водой в организм человека в сутки попа­ дает менее 0,4 мкг. Вне производственных условий основным источником поступления ртути в организм является пища. В организме пресноводных рыб из незагрязненных водоемов концентрация ртути находится в пределах 1 0 0 - 2 0 0 мкг/кг влажной ткани; большинство видов морской рыбы содержат ртуть в количестве 500-700 мкг/кг; другие пищевые продукты - менее 60 мкг/кг.

Суточное потребление ртути с пищевыми продуктами (кроме рыбы) со­ ставляет около 5 мкг, ее химическая форма в этих случаях, как правило, не­ известна. Около 80% вдыхаемых паров ртути задерживается в организме. Поглощение неорганических соединений ртути из пищи составляет только 7%. Ионы метиловой ртути, напротив, практически полностью всасывают­ ся в желудочно-кишечном тракте.

Ртуть выводится из организма преимущественно с мочой и калом. При одинаковых условиях воздействия обычно наблюдаются значительные ин­ дивидуальные количественные отклонения эскреции ртути почками. У лю­ дей, принимавших участие в эксперименте, выделение ртути с калом соста­ вляло примерно 80% общего выводимого количества, при этом содержание ртути в моче коррелировало с таковой в крови.

Ртуть, попадающая в организм беременной женщины, быстро проника­ ет Через плаценту. Концентрация ртути в плазме матери и новорожденного

близки в то время как ее содержание в эритроцитах плода на 30% выше; в грудном молоке содержание ртути составляет примерно 5% ее концентра­ ции в крови. Считается, что период полувыведения ртути из организма че­

ловека около 70 дней.

Для того чтобы ртуть не стала главным токсикантом нового века, надо знать ее содержание в воздухе помещений. Для количественного определе­ ния содержания паров ртути в воздухе (локальных скоплений металличе­ ской ртути тоже) промышленностью выпускаются разнообразные анализа­ торы паров ртути. Действие приборов основано на поглощении парами рту­ ти излучения ртутной лампы с длиной волны 253,7 нм, пределы измерении

от 0 до 0,005 мг/м3 и от 0 до 0,25 мг/м3.

Таким образом необходимо систематически проводить демеркуризацию производственных и лабораторных помещений. Метод демеркуризации рас­ твором FeCl3 до сих пор считается одним из наиболее простых и надежных. В качестве поглотительных индиваторов-порошков также используют и ди­ оксид марганца, иодированный уголь, перманганат калия, нанесенный на сйликогель. Демеркуризация помещений, где работают с неорганической рту­ тью, включает три обязательные процедуры: механическую очистку поме­ щений от видимых загрязнителей, химическую обработку загрязненных по­ верхностей, влажную уборку с целью удаления продуктов реакции ртути с химическими реагентами. Через 5 дней после тщательной демеркуризации следует провести контрольный анализ воздуха.

С в и н е ц (РЬ)

Типичный рассеянный элемент, содержащийся во всех компонентах ок­ ружающей среды: горных породах, почвах, природных водах, атмосфере, живых организмах.

Биологическая роль. Не изучена, канцероген. Содержание в человеческом организме: мышечная ткань, % - (0,23-3,3)-10-4; костная ткань, % - (3,6-30)Т(Н; кровь, мл/л - 0 ,2 1 ;

ежедневный прием с пищей, мг - 0,06-0,5; токсическая доза, мг - 1 ; летальная доза, г - 1 0 ;

содержание в организме человека массой 70 кг (в скелете), мг - 120.

^ Свинец - токсичный элемент, обладающий кумулятивными свойствами, действует на ферментативные системы и обмен веществ в живых клетках, накапливается в морских отложениях и в пресной воде.

Перенос и распространение свинца из мест стационарного хранения или подвижных источников происходит главным образом через атмосферный воздух, хотя большое количество свинца сбрасывается с отходами в почву и воду. Эти свинцовые загрязнения обычно локализуются в местах сброса. Свинец, который выбрасывается в атмосферный воздух в районах с высоко­ интенсивным движением транспорта, выпадает главным образом внутри этой городской зоны. Фракция, остающаяся взвешенной в воздухе (около 20%), широко рассеивается. Время пребывания во взвешенном состоянии этих частиц измеряется несколькими днями и зависит от выпадения осадков,

инец, попавший с пылью и осадками в почву, накапливается в ней, что

приводит к образованию биогеохимически неблагоприятных районов на значительных территориях.

Поступление в организм человека свинца неблагоприятно сказывается на состоянии здоровья населения. В ряде исследований было показано, что 5 % свинца, попавшего с воздухом в дыхательные пути человека, оседает в легких. В результате продолжительного воздействия при концентрации свинца в атмосферном воздухе 1 мкг/м уровень свинца может достигать 1 - 2 мкг на 1 0 0 мл крови.

В России производится примерно 50 тыс. т свинца. Основным источни­ ком загрязнения атмосферного воздуха свинцом в Российской Федерации является автотранспорт, использующий свинецсодержащий бензин. Выбро­ сы автотранспорта (около 4 тыс. т свинца в 1995 г.) в несколько раз больше, чем прямые промышленные выбросы.

Правительство Российской Федерации утвердило федеральную целевую программу “Топливо и энергия”, которая содержит подпрограмму “Реконст­ рукция и модернизация предприятий нефтеперерабатывающей промыш­ ленности”. Одной из задач этой подпрограммы является расширение произ­ водства не содержащих свинец бензинов - до 65% к 2000 г. (в 1995 г. - 46,9%, в 1992 г. - 26,8%). Однако выполнение этой программы идет со значитель­ ным отставанием.

Автомобильный транспорт загрязняет атмосферу не только свинцом, но и другими вредными веществами (оксиды азота, оксид углерода, озон). По­ этому необходимо разработать общую политику сокращения автомобиль­ ных выбросов, имея в виду, что использование современных технологий (ка­ талитические дожигатели) и альтернативных видов топлива будет способст­ вовать полному решению этой проблемы.

Существенными нестационарными источниками загрязнения окружа­ ющей среды являются, помимо автотранспорта, авиация, использующая свинецсодержащий бензин, и ракетно-космическая техника, выбрасываю­ щие в атмосферу примерно 400 т свинца, а также охота, в результате ко­ торой в водно-болотные угодья страны попадает до 1400 т свинцовой дро­ би ежегодно.

Основной вклад в свинцовое загрязнение окружающей среды стацио­ нарными источниками вносят предприятия цветной металлургии (660 т/год, илц около 87% регистрируемых свинцовых выбросов всех отраслей про­ мышленности). При этом из 39 основных предприятий цветной металлургии только пять несут ответственность за 90% всех выбросов отрасли, из них два предприятия на Урале (Среднеуральский медеплавильный завод - 291 т/год и Красноуральский медеплавильный комбинат - 170 т/год) - за 70%.

При сжигании топлива (уголь, нефть и газ) для общих энергетических потребностей в атмосферу выбрасывается примерно 400 т свинца в год. В Отличие от выбросов металлургической промышленности эти выбросы широко распределены по территории Российской Федерации.

Другими стационарными источниками выбросов свинца являются пред­ приятия стекольной (1 0 0 - 2 0 0 т/год), лакокрасочной и оборонной промыш­ ленности.

Стационарные источники ответственны за сброс более 50 т свинца в виДе различных соединений в водные объекты. При этом семь аккумуля­

торных заводов сбрасывают ежегодно 35 т свинца через канализацион­

ную систему.

Управление твердыми бытовыми отходами (обезвреживание или пере­ работка) остается важной проблемой природоохранной политики страны. По экспертным оценкам, на свалках, транспортных площадках и других ме­ стах по всей территории России в настоящее время находится до 1 млн т свинца в отработавших свой срок аккумуляторах. При существующем поло­ жении с их переработкой эта величина возрастает на 50-60 тыс. т ежегодно.

Особое внимание также следует обратить на необходимость выведения из использования сборной жестяной банки со свинецсодержащими припоя­ ми при производстве консервированных продуктов питания.

В настоящее время большая часть территории России испытывает на­ грузку от выпадений свинца, превышающую критическую для нормаль­ ного функционирования экосистем. В десятках городов отмечаются кон­ центрации свинца в воздухе и почве выше соответствующих ПДК. Наибо­ лее высокий уровень загрязнения воздуха свинцом, превышающий приня­ тую в России норму (0,3 мкг/м3), отмечался в 1994-1995 гг. в Комсомоль- ске-на-Амуре, Тобольске, Тюмени, Карабаше, Владимире, Владивостоке

(до 0,5 мкг/м3).

Водозаборные устройства в ряде городов находятся вблизи территорий с высоким содержанием свинца. Использование загрязненных территорий для выращивания сельскохозяйственной продукции приводит к поступле­ нию свинца в продукты питания.

Свинец и его соединения относятся к классу высокоопасных веществ, способных причинить ощутимый вред здоровью человека. Растет количест­ во данных о вреде хронического воздействия свинца на организм и прежде всего на детский. Свинец влияет на нервную систему, что приводит к сниже­ нию интеллекта, а также вызывает изменения физической активности, ко­ ординации, слуха. Свинец воздействует также на сердечно-сосудистую сис­ тему, приводя к заболеваниям сердца. Некоторые из этих заболеваний изле­ чимы, но некоторые сопровождаются необратимыми изменениями. Суще­ ствуют доказательства того, что воздействие свинца нарушает женскую и мужскую репродуктивную систему, что приводит к росту числа выкидышей и врожденных заболеваний. Высокие концентрации свинца в окружающей среде вызывают увеличение его содержания в организме человека и нару­ шение здоровья, что особенно четко наблюдается в зоне воздействия стаци­ онарных источников загрязнения.

Свинцовое отравление занимает первое место среди профессиональных интоксикаций. Основной путь поступления свинца в организм человека в Российской Федерации с продуктами питания, загрязненными свинцом (85% общего поступления).

Предотвращение негативного воздействия свинца на население должно стать одним из основополагающих принципов политики охраны окружаю­ щей среды Российской Федерации. Реализация этой политики осложняется тем, что свинцовое загрязнение не признает каких-либо границ. Свинец пе­ ремещается от промышленных предприятий на территории целых городов. Риск негативного воздействия на здоровье населения простирается от рабо­ чего, соприкасающегося непосредственно со свинцом в производственном процессе, до всего населения страны как через загрязнение окружающей

Баланс трансграничного переноса свинца в 1991 г. для Европейской территории России

среды, так и через потребительские товары, содержащие в своем составе свинец (краски, керамика, хрусталь и др.). Трансграничному загрязнению подвержены практически все государства (табл. 2.31).

К а д м и й (Cd)

На воздухе кадмий покрывается оксидной пленкой, растворяется в кис­ лотах. Многие соединения кадмия ядовиты.

Биологическая роль. Не изучена, токсичен, стимулятор, канцероген. Содержание в человеческом организме:

мышечная ткань, % - (0,14—3,2)-10-5; костная ткань, % - 1 ,8 -1 0 -5; кровь, мл/л - 0,0052;

ежедневный прием с пищей, мг - 0,007-3; токсическая доза, мг - 3-330; летальная доза, г - 1,5-9;

содержание в организме человека массой тела 70 кг, мг —50.

Кадмий в соответствии со своим порядковым номером (48) в Периодиче­ ской системе элементов находится в побочной подгруппе второй группы пе-

риодической таблицы вместе с цинком (Zn) и ртутью (Hg). Его главная сте­ пень окисления +2 , в этом состоянии он встречается в природных месторо­ ждениях. Минералы —кадмиевая обманка (гринокит) и карбонат кадмия (отавит) CdC03 - являются постоянными спутниками цинковых руд, цинко­ вой обманки ZnS и смитсонита ZnC03. Поэтому кадмий является побочным продуктом при промышленном производстве цинка (как сухим, так и мок­

рым способом).

Металлический кадмий получают восстановительной перегонкой (сухой процесс с углем) или электролитическим осаждением (мокрый процесс); он представляет собой серебристый блестящий ковкий и мягкий металл плот­ ностью 8,64 г/см3. Температура плавления кадмия равна 321 °С, а кипения - 767 °С. Хотя кадмий по свойствам очень близок к цинку, он более устойчив. Защитные покрытия на его основе имеют то преимущество, что кадмий в отличие от цинка не окисляется в щелочной среде, поскольку не образует гидроксокомплексов. Мировое потребление кадмия составляет около

2 0 тыс. т в год.

Металлический кадмий и его соединения применяются преимуществен­ но для производства пигментов, нанесения защитных покрытий, в качестве стабилизатора пластмасс (особенно ПВХ), для изготовления аккумулято­ ров, сплавов и т.д. В настоящее время замена кадмия в указанных областях применения невозможна или ограниченно возможна.

П и г м е н т ы . Сульфид кадмия (CdS) и селенид кадмия (CdSe) предста­ вляют собой термически устойчивые красители соответственно желтого и красного цвета. Вместе с сульфатом бария (BaS04) они могут передать лю­ бые оттенки цвета от желтого до красного и поэтому применяются в поли­ графии, при производстве лаков, красок и резиновых изделий, а также для окраски кожи. Оксид кадмия CdO и карбонат кадмия CdC03 находят приме­ нение для окраски стекла, эмалей и глазури на керамике.

Г а л ь в а н и ч е с к и е п р о ц е с с ы . Кадмирование существенно снижает коррозию на поверхности металлов. Для некоторых областей при­ менения существует альтернатива использованию кадмия, например, цинко­ вание в автомобилестроении или нанесение слоя алюминия из жидкой или газовой фазы (алюминирование). Продвижение таких разработок в буду­ щем частично снизит потребление кадмия.

С т а б и л и з а т о р ы . При переработке пластмасс, особенно поливи­ нилхлорида, важную роль играют кадмиевые соли жирных кислот. Терми­ ческие нагрузки, прежде всего при переработке ПВХ в экструдерах, приво­ дят к дегидрохлорированию и автоокислению макромолекул под действием отщепленного хлороводорода. Экструзия в инертной среде (азот) замедляет автоокисление, однако не снимает его полностью. Соли металлов (карбок­ силаты кадмия или свинца), органические сульфо- и меркаптосоединения олова, а также ряд других солей металлов, например азотсодержащие орга­ нические соединения (производные мочевины и 2 -фенилиндола), благодаря связыванию образовавшегося хлорводорода, ингибированию дегидрохлори­ рования в макромолекуле и включению стабилизатора в различные стадии процесса замедляют автоокисление. Изделия из ПВХ могут содержать до 0,05-0,1% кадмия. Однако в связи с тем, что известны безопасные замените­

ли кадмиевых стабилизаторов, их потребление для переработки пластмасс начинает снижаться.

А к к у м у л я т о р ы . Никель-кадмиевые аккумуляторы и соответст­ вующие батареи, составленные из них, находят широкое применение благо­ даря их высоким потребительским характеристикам: высокой удельной энергии, большого ресурса работы, высокой скорости подзарядки и воз­ можности использования в широком температурном диапазоне. Наряду с применением в технике для запуска авиационных двигателей (небольшая масса батареи) и в телефонных системах они широко используются населе­ нием для питания бытовой электроники. В настоящее время не имеется ка­ кой-либо альтернативы никель-кадмиевым аккумуляторам. Однако имеют­ ся возможности повысить долю возврата кадмия путем организации сбора батарей торгующими магазинами и фирмами, а также коммунальными службами, занимающимися сбором вторсырья.

С п л а в ы и д р у г и е п р о д у к т ы . Сплавы меди с кадмием (0,3- 1% Cd) используются в электрических кабелях, автомобильных радиаторах

итеплообменниках. Твердые припои могут содержать до 95% кадмия.

Внебольших количествах соединения кадмия используются также для изготовления катализаторов полимеризации, радиолокационных, телевизи­ онных и рентгеновских экранов, фотоэлектрических элементов, замедлите­ лей нейтронов в ядерных реакторах, а также биоцидных и антисептических материалов.

Поступление кадмия в окружающую среду происходит как в результате эмиссии в процессах получения и удаления из производственных помещений продуктов, содержащих кадмий, так и вследствие прямого использования субстратов, содержащих кадмий, таких, как минеральные удобрения или биологический ил, в которых этот элемент может находиться в виде соеди­ нений, способных к быстрому распространению.

Естественные источники эмиссии приводят к фоновому загрязнению ок­ ружающей среды в очень малой концентрации. Содержание кадмия в атмо­ сфере составляет 1 нг/м3 за счет естественного образования пыли при вет­ ровой эрозии, извержениях вулканов, лесных пожарах, образовании биомас­ сы и выноса аэрозолей морской воды. Незагрязненная морская вода содер­ жит менее 0 , 1 мкг кадмия в 1 л воды, а незагрязненная почва - около 0 , 1 мг на 1 кг сухой массы.

Важнейшими антропогенными источниками эмиссии кадмия в атмосфе­ ру являются сжигание горючих ископаемых (угля и нефти), сжигание мусо­ ра, а также производство стали и других металлов. Так, в ФРГ ежегодно по­ ступает в атмосферу 35,5-50 т кадмия. Эмиссии кадмия, как правило, осуще­ ствляются в виде частиц CdO или CdS. Во всем мире ежегодно в атмосферу поступает 7300 т кадмия.

Загрязнение вод кадмием наряду с геохимическими источниками вы­ зывается атмосферными осадками, сточными водами промышленных предприятий, вымыванием кадмия из сельскохозяйственных угодий, про­ сачивающимися водами из хранилищ отходов (свалок) и очистных соору­ жений.

В поверхностных водах кадмий содержится преимущественно в адсорби­ рованном на взвешенных в воде частицах виде, и лишь 25-30% его раство­ рено в воде. При очистке воды около 5-40% кадмия (1-10 мкг/л) не улавли­ ваются на очистных сооружениях. Осаждение из воздуха (1— мкг/л), вымы­ вание из сельскохозяйственных угодий (0,1-0,5 мкг/л) и вод, просачиваю­

щихся со свалок (менее 1 мкг/л), суммарно могут привести к появлению вы­

соких локальных концентраций.

Поступающий в реки кадмий на 30—60% осаждается в донном иле.

На связывание кадмия с илистым осадком влияют pH воды и осадка, окислительно-восстановительный потенциал и ионная концентрация. В не­ загрязненных донных осадках содержание кадмия равно 0,3-0,7 мг/кг, а кри­ тическим считается значение 3 мг/кг. Хакое количество кадмия, например, содержится в иле Рейна, Неккара, Везере и Эльбы. На 500 м ниже по течению реки от предприятии, перерабатывающих кадмиисодержащее сырье, речные отложения могут содержать до 8 ’Ю4 мкг кадмия на 1 кг сухой мас­ сы, а вода - 4 мкг/л. В основном связывание тяжелых металлов в речных донных отложениях происходит преимущественно глинистыми частицами

(размером менее 63 мкм).

Естественное содержание кадмия в почве (в пахотном слое 0-20 см) со­ ставляет около 0,1 мг/кг почвы, или 0,3 кг/га. Вследствие усиленного внесе­ ния кадмия в почву за последние десятилетия к 1970 г. его содержание в зе­ млях стран Европейского сообщества составило от 0,16 до 0,32 мг/кг почвы, или 0,48-0,96 кг/га. Это явилось следствием:

- осаждения из воздуха (около 3-5 г/га в год); - поступления из очистного биологического ила (примерно 1 г/га в год);

-поступления из фосфорных удобрений (5-6 г/га);

-поступления из других источников (около 1 г/га в год).

Можно предположить, что такое загрязнение кадмием будем приводить к повышению его содержания в почве на 0,1 мг/кг каждые 20-30 лет. Одна­ ко так как осаждение металла меняется в зависимости от местоположения, на различных территориях наблюдается разная степень загрязнения. Так, в почве вокруг завода по производству цинка концентрация кадмия составля­ ет 40 мг/кг на расстоянии до 1,5 км, 22 мг/кг - до 3 км и 4 мг/кг - до 7 км от производственных установок. Другим важным источником загрязнения сельскохозяйственных угодий кадмием являются фосфорные удобрения, которые в зависимости от месторождения фосфатного сырья могут содер­ жать кадмий в количестве от 0,1 до 90 мг/кг. Часть этого кадмия остается в удобрениях, а остальное его количество попадает в побочный продукт про­ изводства фосфорной кислоты - гипс.

В последнее время большое внимание стали уделять тому обстоятельст­ ву, что в биологическом иле, который вносится в почву для ее улучшения, обнаруживается повышенная концентрация кадмия. Около 90% кадмия, имеющегося в сточных водах, переходит в биологический ил: 30% при пер­ воначальном осаждении и 60-70% при его дальнейшей обработке. В 185 об­ разцах ила, исследованных в Великобритании, среднее содержание кадмия - 17 мг на 1 кг сухого вещества, в Дании этот показатель составил в среднем 7 мг/кг при колебаниях от 4 до 36 мг/кг. Удалить кадмий из ила практически невозможно. Существует практика использования ила очистных сооруже­ ний в качестве удобрения. В Великобритании, например, ил используется примерно на 5% сельскохозяйственных площадей, а в Дании, по местным оценкам, биологический ил вносится в почву ежегодно на 0 ,5 % обрабатыва­ емых полей. Внесение ила, очевидно, может привести лишь к локальным проблемам с повышенной концентрацией кадмия, и его вклад по сравнению с кадмием, вносимым с удобрениями, незначителен. Например, в Дании при­

нято считать, что только 2-5% всего кадмия, попадающего на поля, внесе­ ны с биологическим илом, в то время как около 50% кадмия поступает с фо­ сфорными удобрениями.

М ы ш ь я к (As)

Широко распространенный элемент. Существует много различных не­ органических и органических соединений мышьяка. В природе мышьяк ши­ роко распространен в виде минералов. Металлированные соединения мышьяка встречаются в естественных условиях как результат биологиче­ ской деятельности. Наиболее важное промышленное соединение —оксид мышьяка - производится как побочный продукт выплавки медных или свин­

цовых руд.

Биологическая роль. Нужен для некоторых форм жизни, включая чело­ века, канцероген.

Содержание в человеческом организме: мышечная ткань, % - (0,009-0,65)-10-5; костная ткань, % - (0,08-1,6)-10-5; кровь, мл/л - 0,0017-0,09;

ежедневный прием с пищей, мг - 0,04-1,4; токсическая доза, мл - 5-50; летальная доза, мл - 50-340;

содержание в организме человека массой тела 70 кг, мг - 18.

Источник поступления - промышленное производство, пестициды. Со­ держание мышьяка в воздушной среде городов до 0 , 0 2 мкг/м3, вблизи источ­ ников выброса до 15 мкг/м3. Поступление в организм человека происходит с водой (ПДК 0,05 мг/л), пищей.

Продолжительный контакт человека с мышьяком происходит при изго­ товлении и очистке металлических сплавов (особенно медных) и в процес­ сах, связанных с сжиганием угля. В окружающей среде мышьяк переносит­ ся главным образом водой.

Неорганическими соединениями мышьяка могут поражаться многие си­ стемы организма, в том числе дыхательная, желудочно-кишечная, сердеч­ но-сосудистая, нервная и кроветворная. Мышьяк вызывает дегенеративные изменения в миокарде, раздражение глаз, отек, поражение век и зрительно­ го нерва, сужение поля зрения, транзиторную близорукость.

Токсическое влияние мышьяка на человеческий организм варьирует в зависимости от дозы и продолжительности приема. Так, острое отравление большими дозами мышьяка, “принимаемого” в течение от одного до не­ скольких дней, сильно отличается от отравления гораздо менее значитель­ ными дозами, но “принимаемыми” от нескольких месяцев до нескольких лет. В случае острого отравления основным признаком является сильное на­ рушение функционирования желудочно-кишечного тракта, сопровождае­ мое спазмами и диареей. В течение одной-нескольких недель наблюдается и периферическая нейропатия.

ОксИД мышьяка (доза 70-180 мг) при приеме внутрь оказывается смер­ тельным для человека. Многочисленные эпидемиологические исследования показали определенную взаимосвязь между уровнем мышьяка в воздушной среде мёДеплавилен и заболеваниями раком легких. Присутствие мышьяка в воздухе й концентрации приблизительно 50 мкг/м3 на протяжении более 25 лет может приводить почти к трехкратному увеличению смертности от

рака органов дыхания среди лиц старше 60 лет. Рак кожи тожесвязывают с долговременным контактом с мышьяком как через дерму, так и перорально.

Н и к е л ь (Ni)

Чрезвычайно распространенный элемент, широко используемый в ме­

таллургии и химической промышленности.

Биологическая роль. Важен для некоторых форм жизни. Канцероген, стимулятор, карбонил никеля высокотоксичен.

Содержание в человеческом организме: мышечная ткань, % - (1 - 2 0 )* 1 0 "5; костная ткань, % - 0,7*10-5; кровь, мг/л - 0,01-0,05;

ежедневный прием с пищей, мг - 0,3-0,5; токсическая доза (для крыс), мг - 50; летальная доза - данные отсутствуют;

содержание в организме человека массой тела 70 кг, мг - 1.

Источник поступления —промышленное производство никелированных изделий. Для никеля характерно накопление в морских организмах, его содержание в воде 1-10 мкг/л. Поступление в организм человека происходит с пищей, воздухом.

Вызываемые заболевания - бронхиальный рак, дерматиты. Никель ока­ зывает негативное влияние на сердечно-сосудистую систему, вызывая гипо­ тонию (пониженное артериальное давление), приводит к поражению нерв­ ной системы (вегетативно-сосудистая дисфункция, для которой характерны головные боли, головокружение, раздражительность). Никель очень реак­ ционноспособен и быстро реагирует со многими биологически важными мо­ лекулами, включая белки и ДНК. Он воздействует на многие органы, может разрушительно влиять на легкие и изменять ритм сердечных сокращений. При попадании в организм не через дыхательные пути он аккумулируется преимущественно в почках. При высоких уровнях оказывает явное нейротоксическое действие.

В зависимости от формы и пути проникновения в организм соединения никеля могут быть канцерогенными. Эпидемиологические подборки проде­ монстрировали повышение риска заболевания дыхательных путей среди ра­ бочих никелевой промышленности.

Никель и его соединения - сильные аллергены. Аллергия может быть вызвана “внутренним” металлом ортопедических протезов, сердечных элек­ тродов, стальных швов и т.д., равно как и кожным контактом с никелевой бижутерией, ингаляцией или иными контактами с солями Ni. Дерматологи обнаружили у 1 0 % пациентов положительную реакцию кожи на никель. Очень высокотоксичен летучий тетракарбонил никеля (Ni(CO)4), вызываю­ щий легочные заболевания.

М а р г а н е ц (Мп)

Марганец - один из наиболее распространенных химических элементов. Антропогенное загрязнение окружающей среды марганцем в основном про­ исходит при производстве сплавов, стали и изделий из железа. Оценка полу­ чения марганца и изучение его баланса у человека показывает, что суточная

потребность для взрослых составляет 2 - 8 мг, а для детей по крайней мере 1,25 мг/сутки.

Биологическая роль. Важен для всех форм жизни, предполагаемый кан­ цероген.

Содержание в человеческом организме: мышечная ткань, % - (0,2-2,3) • 1 0 -5 ; костная ткань, % - (0 ,2 - 1 0 0 ) • КН; кровь, мг/л - 0,0016-0,075; ежедневный прием с пищей, мг - 0 ,4 - 1 0 ;

токсическая доза (для крыс), мг - 1 0 - 2 0 ; летальная доза - данные отсутствуют.

Основные пути поступления марганца в организм - респираторный и че­ рез желудочно-кишечный тракт. Имеющееся небольшое число данных о желудочно-кишечном всасывании марганца у человека свидетельствует о том, что уровень такого поглощения у здоровых взрослых индивидов не превышает 5%.

Общее содержание марганца в организме человека массой 70 кг соста­ вляет приблизительно 10-20 мг. Он поступает в плазму, связываясь с гло­ булином, и далее распределяется по всему организму. Марганец концент­ рируется в тканях, богатых метахондриями, при этом наиболее высокие его концентрации обнаруживаются в печени, поджелудочной железе, ки­ шечнике и костях, вызывая нарушения в работе этих органов, в том числе процессов биосинтеза и минерализации костей, что приводит к деструк­ тивным изменениям у взрослых и развитию “марганцевого рахита” у де­ тей. Период полувыведения марганца из организма в целом составляет около 37 дней, а период полувыведения его из головного мозга больше чем для всего организма.

Марганец оказывает токсическое действие на центральную нервную си­ стему. Это подтверждается экспериментами на животных. При 95-кратной затравке обезьян аэрозолем двуокиси марганца в концентрации 0,6-3,0 мг/м3 в течение 1 ч на протяжении 4 мес. обнаруживались типичные признаки поражения центральной нервной системы, включая дегенератив­ ные изменения в отделах головного мозга: коре, мозжечке, стволе.

Для человека проявления вредного воздействия марганца могут иметь место при его концентрации в воздухе в диапазоне от 2 до 5 мг/м3.

Наиболее частое отравление марганцем происходит в промышленном производстве при вдыхании его оксида. Хроническое действие такого рода может привести к манганизму, при котором происходит уже серьезное необ­ ратимое нарушение центральной нервной системы и мозга, а также разви­ тие нейротоксикоза, эндемического зоба. При длительном воздействии мар­ ганца на организм человека наблюдаются ослабление потенции и недоста­ точность функции половых желез у мужчин, у женщин - нарушения менст­ руального цикла, исчезновение либидо, эстрогенная недостаточность и ран­ ний климакс.

В результате проведенных исследований было обнаружено, что в насе­ ленном пункте микроэлементарный состав воды которого отличается от та­ кового другого пункта лишь более высокой концентрацией марганца при такой же низкой концентрации йода, эндемический зоб встречался значи­ тельно чаще (соответственно 63,7 и 15,1%). Выявлено статистически досто­ верное угнетение функциональной активности щитовидной железы при воз­ действии больших концентраций марганца в экосреде.

Х р о м (Сг)

Биологическая роль. Важен для некоторых форм жизни, включая чело-

века. Стимулятор, канцероген. Содержание в человеческом организме: мышечная ткань, % - (2 ,4-8,4) • 1 0 "5; костная ткань, % - (0,1-33) • 10"5;

кровь, мг/л - 0,006-0,11; ежедневный прием с пищей, мг - 0 ,0 1 - 1 ,2 ;

токсическая доза, мг - 2 0 0 ; летальная доза, г - >3 (элементы).

Почти все поступления хрома в организм человека идут от приема внутрь, за исключением профессионального.

Поскольку неорганические соединения хрома минимально проходят сквозь кишечный барьер и с трудом проникают в клетки Сг(Ш) фактически нетоксичен и немутагенен. Тем не менее соединения Cr(VI) едкие, описаны случаи изъязвления кожи и ее повышенной чувствительности к хрому, а в очень больших дозах хроматы и бихроматы даже токсичны, особенно повреждаются свернутые почечные канальца.

Канцерогенность соединений хрома широко исследовалась в экспери­ ментах на животных. Действие хрома на респираторную область простира­ ется от носовой полости до изменений в динамике легочной функции и за­ болевания раком.

Синтетические органические соединения. Сложные молекулы в со­ ставе растительных и животных организмов - это природные органиче­ ские вещества. Помимо них люди производят синтетические органиче­ ские соединения, используемые для производства пластмасс, синтетиче­ ских волокон, искусственного каучука, лакокрасочных покрытий, раство­ рителей, пестицидов и многих других изделий химической промышленно­ сти. Органические молекулы содержат углерод, водород и часто другие неметаллы - кислород, азот, серу или галогены (например, хлор). Струк­ турные формулы молекул некоторых органических веществ приведены на рис. 2 .6 .

Информационные банки хранят сведения обо всех веществах, которые научился синтезировать человек. Таких веществ зарегистрировано пример­ но 1 0 - 1 2 миллионов наименований и каждый год к этому списку добавляют­ ся тысячи новых веществ. В своих жилищах, местах поселения, на рабочих местах человек существует в среде, заполненной синтетическими химиче­ скими веществами. Полное их воздействие на окружающую среду, в том числе и на человека, до сих пор не выявлено, а все сведения появляются с большим опозданием. В 1948 г. П. Мюллер получил Нобелевскую премию за разработку препарата дихлордифенилтрихлорэтана (всем известного ДДТ), который использовался в основном для борьбы с насекомыми-вреди- телями и кровососущими, а теперь признан особо опасным токсикантом и запрещен для производства.

Широкое в прошлом применение ДДТ связано с его хорошей раствори­ мостью в жирах. Инсектицид ДДТ внедрился в трофическую цепь, в резуль­ тате чего его содержание в последних звеньях цепи в 1 0 6 раз больше, чем в обычных естественных условиях. Количество ДДТ, ежегодно попадавшее в

Наличие сведений о токсичности различных веществ в США

изучение хронической токсичности и канцерогенности - дополнительно 1,3 млн долл.

Многие из синтетических продуктов по своей структуре и свойствам на­ столько напоминают природные, что могут усваиваться живыми организма­ ми, взаимодействуя с некоторыми ферментами и другими системами. Имен­ но они и создают новые проблемы. Организм может оказаться неспособ­ ным разлагать их или включать в метаболизм (обмен веществ) иным путем, иначе говоря, эти вещества являются небиодеградирующими. В результате нарушается нормальное функционирование живого организма. Кроме того, в окружающей человека среде происходит и простое накопление синтетиче­ ских веществ, отслуживших свой срок.

Целый ряд веществ антропогенного происхождения обладают такой подвижностью, что проникают почти повсюду. Прежде всего надо выделить фталаты, полихлорированные бифенилы, полициклические ароматические углеводороды и т.п.

Фталаты - сложные эфиры фталевой кислоты (С6 Н4 (СООН)2) исполь­ зуют как смягчители при производстве пластмасс, в первую очередь поли­ винилхлорида. Кроме того, их используют при изготовлении растворителей, смазок, производстве бумаги, в парфюмерии, при производстве пестицидов, лаков и красок. Для получения фталатов используют спирты с числом угле­ родных атомов в цепи от 1 до 11. В пластмассах эти эфиры по массе могут составлять до 40%. Фталаты находят в почве, воде и воздухе. Считается, что источниками их распространения в окружающей среде служат потери их в производстве, а кроме того со временем они диффундируют из пластмасс, хотя их растворимость в воде и летучесть незначительны. Возможно также улетучивание фталатов при сжигании пластмасс.

При попадании фталатов в человеческий организм происходит только незначительное их всасывание пищеварительным трактом. Фталаты могут также воздействовать на кожу и слизистые оболочки. Токсическое действие этих соединений изучено еще недостаточно.

Вредное воздействие на природную среду в значительно большей степе­ ни проявляется у полихлорированных бифенилов (ПХБ), что связано со зна­ чительно большей устойчивостью этого класса синтетических соединений. На открытом воздухе период их полураспада может составлять от 10 до 100 лет. Эти соединения находят применение в холодильных установках, как пластификаторы в пластмассах, как жидкие теплоносители и в качестве

тельносги к некоторым веществам природного происхождения. Необходи­ мо отметить их природную стойкость и отсутствие предела токсичности (сверхкумуляция), так что практически для всех суперэкотоксикантов конт­ роль ПДК теряет смысл. Как правило, суперэкотоксиканты присутствуют в окружающей среде в ничтожно малых количествах, на уровне следов, поэ­ тому для их определения необходимо применение самых чувствительных и селективных методов современной аналитической химии, включая модели­

рование процессов в живой природе.

Кроме того, самостоятельную проблему представляют метрологические аспекты определения суперэкотоксикантов на уровне ультрамикроконцент­ раций. Требуемые пределы обнаружения большинства суперэкотоксикан­ тов находятся в диапазоне от 0 , 1 мг/л до 1 пг/л и ниже; часто нормируются одни формы веществ, а в процессе метаболизма образуются другие, с ины­ ми ПДК. Трудность также представляет установление значений ПДК, так как это требует колоссального количества времени и высококвалифициро­ ванного труда и, как следствие, огромных экономических затрат. К тому же оно не охватывает контроль за содержанием неизвестных, ненормирован­ ных веществ, которые могут образовываться в процессах метаболизма су­ перэкотоксикантов. Наконец, токсичность многих загрязняющих веществ зависит от конкретной климатической (температура) и гидрохимической (pH, наличие в воде кислорода и других веществ) ситуаций, на фоне которых они проявляются.

Человек подвергается воздействию суперэкотоксикантов при дыхании, они поступают в организм с продуктами питания растительного и животно­ го происхождения, с водой. Для них характерно еще одно свойство - высо­ чайшая подвижность в биосфере.

Указанные характеристики суперэкотоксикантов определяют комп­ лексный характер их воздействия на организм человека и животных и могут вызвать мутагенный (мутации в организме), тератогенный (аномальное раз­ витие плода), канцерогенный (рак) и порфирогенный (нарушение обмена продуктов распада) эффекты, а также привести к подавлению клеточного иммунитета, поражению внутренних органов и истощению организма.

Исследования ответных реакций живых организмов на воздействие су­ перэкотоксикантов показали, что последние в большей или меньшей степе­ ни действуют практически на все биомишени и системы организма, реали­ зуя свое токсическое влияние одновременно по различным механизмам. При этом суммарный эффект адекватен эффекту при комбинированном действии двух или более веществ, включая суммирование (аддитивность), внутреннее потенцирование (синергизм) и антагонизм.

Загрязнение окружающей среды суперэкотоксикантами из-за миграции загрязняющих веществ между природными средами носит комплексный ха­ рактер. Опыт экологических исследований, проведенных как в России, так и за рубежом, показал, что антропогенному воздействию’ независимо от ис­ точников подвергаются все элементы биосферы: поверхностные и подзем­ ные воды, атмосфера, почвенные экосистемы, растения и др. При этом за­ грязнение атмосферы —самый мощный, постоянно действующий и всепро­ никающий фактор. Принимая во внимание тот факт, что в подавляющем большинстве случаев степень кумуляции суперэкотоксикантов характери­ зует протяженность и направленность трофических цепей, можно констати­

ровать, что техногенное поступление этих веществ в организм человека в первую очередь связано с атмосферными загрязнениями.

Почва, аналогично донным отложениям, играет роль своеобразного “де­ по”, куда суперэкотоксиканты попадают в результате переноса выбросов из природных и антропогенных источников.

Главными представителями суперэкотоксикантов, которые вызывают наибольшую тревогу среди ученых и представителей общественности явля­ ется группа хлорорганических веществ под общим названием диоксины.

Вэту группу входят:

1.Полихлордибензодиоксины (ПХДД). Часто именно эти соединения в литературе называют диоксинами. Структурная химическая формула ПХДД представляет собой два бензольных кольца соединенных двумя кис­ лородными мостиками. Часть атомов водорода в бензольных кольцах заме­

щена атомами хлора, число которых может меняться от 1 до 8 (х + у = 1 - 8 ).

2.Полихлордибензофураны (ПХДФ или просто фураны). Отличие стру­ ктурной формулы ПХДФ состоит в наличии только одного кислородного мостика между бензольными кольцами.

3.Полихлорбифенилы (ХБФ). В их структуре вообще нет кислородной связи между бензольными кольцами.

Всего диоксиновая группа содержит 419 веществ. Это связано с изоме­ рией органических молекул, т.е. различием в размещении атомов внутри молекул при неизменной химической формуле соединения.

Биологическое действие диоксинов проявляется в следующем. Очень незначительные (следовые) концентрации диоксинов приводят к росту чис­ ла онкозаболеваний, вызывают гибель плода у беременных женщин, рож­ дение детей с физическими уродствами. Диоксины также вызывают сниже­ ние иммунитета, поэтому их действие иногда называют химическим СПИДом. Самая легкая форма токсикации при воздействии диоксинов — уменьшение способности к длительным физическим и умственным нагрузкам.

Растворимость веществ диоксиновой группы в углеводородах (органиче­ ских растворителях) в 105—107 раз выше, чем в воде. Поэтому они накапли­ ваются в жировой ткани и у женщин могут переходить в материнское моло­

ко, с которым при кормлении попадают в организм ребенка. Вследствие этого диоксины могут вызывать различные дефекты развивающегося дет­ ского организма. Это ярко выражено среди населения Вьетнама, так как концентрация диоксинов в материнском молоке вьетнамских матерей в не­ сколько раз выше, чем у матерей в России или в США. Считается, что это является следствием вьетнамской войны, во время которой войсками Соеди­ ненных Штатов в этом регионе было распылено 52 тыс. т так называемого “оранжевого реагента”, содержащего небольшое количество диоксинов.

По показателю онкотоксичности наиболее опасен 2,3,7,8-тетрахлорди- бензодиоксин (ТХДД), структурная формула которого:

Его токсичность принято считать равной 1. У 2,3,7,8-тетрахлордибензо- фурана (ТХДФ) онкотоксичносгь в 10 раз меньше. Отношение онкотоксич­ ности данного соединения из группы диоксинов к токсичности ТХДД назы­ вается эквивалентом токсичности (ЭТ). Эквивалент токсичности ТХДФ та­ ким образом равен 0 ,1 .

Суммарная токсичность смеси соединений может быть определена по формуле:

Т = ЕДО],[ЭТ]/,

где [D], - концентрация /-го диоксина в смеси; [ЭТ], - его эквивалентная то­ ксичность.

Соотношение между эквивалентными токсичностями ПХДД, ПХДФ и ХБФ следующее:

[ХБФ] ^ [ПХДФ] < [ПХДД].

Поэтому суммарная токсичность смеси может определяться любым ве­ ществом из этой группы соединений, в том числе и ХБФ.

Вещества диоксиновой группы, за исключением ХБФ, не являются про­ дуктами производства, нет ни одной сферы деятельности, где бы они ис­ пользовались. Однако они появляются попутно в ряде производственных процессов и технологий.

Суммарный выброс диоксинов в 1996 г. в США составляет 10 кг/год. По­ ловина этого количества появляется в результате работы мусоросжигаю­ щих заводов (МСЗ) и сжигателей медицинских отходов (СМО). Производи­ тельность МСЗ составляет до 20 млн т мусора в год, производительность СМО в 6-7 раз меньше. Образование диоксинов можно представить следу­ ющим образом. Полихлорвинил (С2 Н3 С1 )П, представленный в отходах в зна­

чительных количествах, на 57% (по массе) состоит из хлора. При его окис­ лении происходит реакция:

(С2 Н3 С1)П+ 0 2 —> 2пС02 + пН20 + пНС1 и далее

4НС1 + 0 2 2Н20 + 2С12.

Свободный хлор в условиях повышенной температуры и наличия орга­ ники (в частности, ароматических углеводородов) образует соединения дио­ ксиновой группы. При 850 °С (МСЗ) все диоксины нестойки и распадаются, но вновь образуются при понижении температуры в отходящих газах.

Основными источниками диоксинов в России являются предприятия хи­ мической промышленности, целлюлозно-бумажные комбинаты (хлорная отбелка целлюлозы), работающие на угле ТЭС, а также лесные пожары.

В заключение отметим, что в данном разделе изложены сведения о за­ грязнителях, имеющих всеобщее распространение (воздух, вода, почва). Да­ лее будут рассмотрены поллютанты, имеющие ограниченные сферы пре­ бывания.

223.32. Выбросы в атмосферу

Миллионы лет в результате извержений вулканов, природных пожаров, пыльных бурь и т.п. в атмосферу поступали дым и другие загрязняющие ве­ щества. Но биосфера способна удалять, ассимилировать и рециклизировать эти естественные загрязнители. Они рассеиваются в атмосфере, затем осе­ дают или выпадают с осадками на землю, а почвенные микроорганизмы преобразуют ядовитые газы в безвредные для жизни соединения. Напри­ мер, угарный газ (СО) и сернистый ангидрид (S02) превращаются в углекис­ лый газ и сульфаты, служащие пищей для растений. Таким образом, кон­ центрация естественных загрязняющих веществ поддерживается гораздо ниже порогового значения, т.е. ниже того уровня, при котором живые орга­ низмы без вреда для себя переносят их присутствие. Исключение составля­ ют ближайшие окрестности извергающихся вулканов.

С тех пор как люди около 10 000 лет назад научились пользоваться ог­ нем, к природным источникам прибавились антропогенные. Последствия их действия для живых организмов зависят как от концентрации загрязняюще­ го вещества, так и от длительности его воздействия. При коротком времени воздействия переносимы более высокие уровни загрязнений. Поэтому сле­ дует помнить, что важно не само присутствие загрязнителей, а получаемая доза, под которой подразумевают произведение концентрации (уровня) на время действия.

Основными загрязнителями воздуха (за исключением рассмотренных ранее токсичных металлов и синтетических органических соединений) являются:

1. Взвеси (пыль и аэрозоли). Под атмосферной пылью понимают взве­ шенные в воздухе твердые частицы размером более 1 мкм. Эти частицы классифицировать химически затруднительно, поскольку они могут быть и частицами кварца, и органическими материалами различного происхожде­ ния. Если говорить о составе атмосферной пыли в глобальном масштабе, то можно считать, что она в основном имеет минеральное происхождение: со­ единения щелочных и щелочноземельных металлов, токсичных металлов, оксиды кремния и др. Аэрозоли представляют собой коллоидные системы,

вкоторых дисперсионной средой служит воздух. Диаметр этих частиц 0,1-0,001 мкм. В отличие от атмосферной пыли аэрозоли содержат не толь­ ко твердые, но и жидкие частицы, образованные при конденсации паров или при взаимодействии газов. Жидкие капли могут содержать и растворенные

вних вещества.

В физиологическом отношении особое внимание следует уделить части­ цам с размерами менее 5 мкм, так как с уменьшением размера частиц их пове­ дение становится все более характерным для поведения газов, т.е. они не за­ держиваются в бронхах при дыхании, а также не вымываются ив воздуха дождями. Это увеличивает время их пребывания в атмосфере. Крупные частицы обычно оседают в течение часов или суток, тем не менее они могут перено­ ситься на сотни километров, если вначале оказались на достаточной высоте. Так, например, пыль из пустыни Сахара можно обнаружить на юге США, в Центральной и Латинской Америке. Ежегодная масса атмосферной пыли, вы­ носимой из Сахары, но приблизительным оценкам достигает от 100 до 400 Мт.

Микрочастицы (менее I мкм) пребывают в нижних слоях атмосферы 10-20 сут. Этого времени достаточно для распространения частиц в пределах полушария. Если пыль и аэрозоли достигают верхних слоев тропосферы, то они могут проникать и в стратосферу. При вулканических извержениях час­ тицы золы и пыли могут подниматься на высоту до 2 0 км и выше, а продол­ жительность существования пыли и аэрозолей в стратосфере 1-3 года.

Атмосферная пыль и аэрозоли, накапливающиеся над городами и про­ мышленными зонами, имеют преимущественно региональное значение. Они образуют сгущения над первоначальными источниками, но при силь­ ном движении воздушных масс могут разноситься в подветренную сторону.

В областях с умеренным климатом выделение пыли в атмосферу замет­ но зависит от времени года. Ее образование по естественным причинам до­ стигает максимума в жаркие летние месяцы, а выделение пыли антропоген­ ного происхождения над городами и густонаселенными районами макси­ мально в отопительный зимний период.

Область распространения пыли и аэрозолей, образующихся в закрытых помещениях, имеет четко ограниченный местный характер. При отсутствии вентиляции и вытяжных устройств концентрация загрязнений может при­ нять такие размеры, что станет опасной для организма.

Атмосферная пыль и аэрозоли ослабляют солнечное излучение в ре­ зультате рассеяния, отражения и поглощения лучей. Эти процессы, видимо, в определенной мере должны влиять на климат. Пыль и аэрозоли играют важную роль при развитии коррозионных процессов на поверхностях ме­ таллических изделий.

Твердые выделения оказывают прямое влияние и на здоровье чело­ века. С ними связаны некоторые специфические заболевания (силикоз, асбестоз и др.).

2 . Монооксид углерода. Небольшие количества монооксида углерода СО природного происхождения образуются в результате вулканической де­ ятельности и окисления метана в атмосфере. Антропогенные выбросы СО, связанные в первую очередь с транспортом, в глобальном масштабе относи­ тельно невелики. Внутри помещений, где СО появляется в результате не­ полного сгорания топлива в печах и курения, его концентрация сопостави­ ма с нормами и стандартами.

3. Диоксид серы. К природным источникам SO2 относятся вулканы, лес­

ные пожары, морская вода и микробиологические превращения серосодер­ жащих соединений.

Время пребывания S02 в атмосфере в среднем исчисляется двумя неде­ лями. Этот отрезок слишком мал, чтобы газ мог распространиться в гло­

бальном масштабе. Поэтому в соседних регионах, где имеют место как большие, так и умеренные выбросы диоксида серы, в атмосфере может на­ блюдаться большое различие концентраций S02. Проблемы, связанные с присутствием в атмосфере S02, возникают в первую очередь в развитых ин­ дустриальных странах и у их ближайших соседей.

В течение последних десятилетий при изучении выбросов S02 был нако­ плен значительный материал, прежде всего, с точки зрения их влияния на растительность. В атмосфере диоксид серы претерпевает ряд химических превращений, важнейшие из которых окисление и образование кислоты.

Окисление S02 может происходить разными путями (посредством при­ соединения радикала ОН”, реакций е озоном и:т.д.). Во влажной атмосфере образуется серная кислота. Этот процесс получил известность в конце X IX - начале XX в. в Англии, где в зимний отопительный сезон в дни с густым ту­ маном, происходило медленное образование аэрозоля серной кислоты. Это явление впоследствии получило название смог (от англ, “smoke” - дым и “fog” - туман). В смоге помимо S02 присутствует и ряд других компонентов, образующихся при сгорании топлива и содержащихся в выхлопных газах ав­ тотранспорта (СО, NOx, углеводороды, частицы несгоревшей угольной пы­ ли, сажа и др.).

Разрушительному' воздействию кислотообразующих газов подвергается целый ряд изделий из неорганических и органических материалов (машины и другие изделия техники, строения, произведения искусств). Строения с из­ вестковой кладкой разрушаются и естественным путем, под действием дож­ дей, содержащих С 02:

СаС03 + С02 + Н20 = Са2+ + 2HCOJ.

Эти процессы протекают при pH 8 ,6 - 6 ,2. Если имеет место подкисление осадков кислыми продуктами антропогенного происхождения (например, серной кислотой), процессы разрушения значительно ускоряются:

СаСОэ+ H2S04+ Н20 —» Са2+ + SO*”+ Н20+ С02

Аналогично разрушаются изделия из мрамора. Известным примером быстро прогрессирующего разрушения строений, в которых использова­ лась известковая кладка, являются Кельнский и Ульмский соборы. Из-за присутствия в атмосферной пыли сульфатов и других солей, обладающих гигроскопическими свойствами, на поверхности камня образуется влажный налет кислотного характера, что приводит к непрерывному разрушению материала. Такие памятники архитектуры, как, например, Акрополь в Афи­ нах, многие здания в Риме, Венеции и других городах с ростом загрязненно­ сти воздуха в течение последних нескольких десятилетий получили значи­ тельно большие повреждения, чем за все предыдущее время.

Из бетона и других минеральных строительных материалов, а также стекол, под действием атмосферных осадков с пониженным pH выщелачи­ ваются не только карбонаты, но и силикаты. Если pH достигает значения 4,5-3,0, ионы алюминия начинают “вымываться” из кристаллической ре­ шетки. Подобным образом кислотные осадки разрушают древние окон­ ные стекла. Старинное стекло из-за повышенного содержания щелочных и щелочноземельных металлов более подвержено действию кислот, чем современное.

Таблица 2.33

Источники выбросов NOxв атмосферу (Германия, начало 1990-х гг.)

Доля выбросов NOx в общем балансе, %

Источник выбросов

Электростанции

Промышленность

Мелкие производства и быт

Металлы под действием кислотных выбросов разрушаются еще быст­ рее, чем камни или стекла, причем этому способствует влажная атмосфера.

у людей присутствие S02 в атмосфере раздражает слизистую оболоч­ ку, вызывая сильный кашель. Особая трудность при определении вреда, нанесенного организму диоксидом серы, заключается в том, что его дей­ ствие сопряжено с действием других факторов (высокая концентрация

пыли, Nox и др.).

На растения диоксид серы действует либо непосредственно, либо кос­ венно в виде кислотных осадков через почву. В конце концов это проявля­ ется в окислении и обесцвечивания хлорофилла, нарушении деятельности ряда ферментов, отмирания целых участков листа.

Оксиды азота и озон. Содержанию азота в атмосфере в течение дли­ тельного времени уделялось недостаточное внимание. Только в последние годы оно стало предметом дискуссий в рамках обсуждения проблем окружа­ ющей среды. Было показано, что содержание оксидов азота в атмосфере за последние 50 лет неуклонно возрастало. Только с 1982 г. антропогенные вы­ бросы оксидов азота в атмосферу стабилизировались.

Специалисты отмечают, что если количество выбросов оксидов азота в атмосферу сравнить с общим их содержанием в атмосфере (для территории Германии, например, 3-4 млн т/год против 2 млрд т), то роль антропогенных выбросов кажется незначительной, тем более, что NOx сохраняется в атмо­ сфере всего несколько дней. Однако по составу антропогенные выбросы NOx отличаются от природных оксидов азота.

Природные загрязнения атмосферы оксидами азота связаны с электри­ ческими разрядами, при которых образуется N0, переходящий впоследст­ вии в N02. В очень небольших количествах N02 может выделяться в процес­ се ферментации силоса. Основная часть оксидов азота перерабатывается в почве микроорганизмами, в результате чего образуется N2 0. Эти микробио­ логические преобразования особенно успешно протекают в почвах с pH бо­ лее 4,5 с плохой воздухопроницаемостью, но относительно богатых азотом.

Оксиды азота антропогенного происхождения состоят главным образом из N0, образующегося при сгорании топлива, особенно если температура сгорания превышает 1000 °С. Считается, что N0 может быть окислен до N02 также с помощью озона или пероксидных радикалов Н 0 2.

Оксиды азота присутствуют также в выбросах предприятий некоторых отраслей химической промышленности при процессе нитрования, производ­ стве суперфосфата, очистке металлов азотной кислотой, изготовлении

взрывчатых веществ. Но главным источником выбросов азота является ав­ томобильный транспорт (табл. 2 .3 3 ).

Следует иметь в виду, что стремление к более полному использова­ нию топлива тоже приводит к увеличению выбросов NOx, так как повы­ шение эффективности работы двигателя связано с ростом температуры. Растет объем выбросов оксидов азота и при увеличении скорости движе­ ния транспорта, причем нелинейно: количество NOx растет быстрее. Ан­ тропогенное загрязнение атмосферы оксидами азота достигает критиче­ ской величины в густонаселенных городах, где чаще выпадают осадки. Наивысшие концентрации выбросов оксидов азота в городах достигают 800-1200 мкг/м3.

Для перевода первоначально образовавшегося N 0 в N 0 2 необходим радикал пероксида и тропосферный озон. Источником последнего в не­ значительной степени может быть стратосфера, но в основном он зарож­ дается в тропосфере, причем схема процесса образования тропосферного озона резко отличается от процесса в стратосфере. На начальных стади­ ях реакции решающую, роль играет СО. Образующийся на этом этапе ра­ дикал пероксида водорода окисляет NO до N 02. Ночью N 02 стабилен. Днем под влиянием солнечной энергии N 02 расщепляется на NO и кисло­ род, который стимулирует образование озона. В присутствии пыли, со­ держащей щелочные и щелочноземельные металлы, идет образование менее токсичных азотокислых солей.

В слоях воздуха, близких: к поверхности Земли, озон вновь быстро реа­ гирует с N0. Таким образом, устанавливается равновесное состояние, кото­ рое препятствует накоплению озона. Скорость образования озона зависит от освещенности и поэтому его концентрация изменяется в течение суток. Уменьшение концентрации озона по ночам объясняется приостановлением фотохимического синтеза и продолжающимся окислением NO в N 02. Годо­ вые изменения концентрации озона показывают максимум в периоды ин­ тенсивной солнечной активности.

Образующийся главным образом естественным путем N20 безвреден для человека, что позволяет использовать его для наркоза. Роль N20 в за­ грязнении атмосферы заключается в том, что N20 при химических процес­ сах в стратосфере способствует разрушению озона.

Роль NO и N 02 оценивают совместно, так как в атмосфере эти газы встречаются только вместе. Поэтому обычно приводят сведения о NOx, тем более, что эти газы в дальнейшем приходят в равновесие с N2 0 3 и N2 0 4.

NO не раздражает дыхательные пути, и поэтому человек может его не чувствовать. При вдыхании N0 образует с гемоглобином нестойкое соеди­ нение, которое переводит гемоглобин в метгемоглобин, концентрация кото­ рого в крови 60-70% считается летальной. Но такое предельное значение может быть достигнуто только в закрытом помещении, на открытом возду­ хе это невозможно.

По мере удаления от источника выбросов все большее количество N0 переходит в N 02. Этот желто-коричневый газ сильно раздражает слизистые оболочки. При контакте с влагой в организме образуются азотистая и азот­ ная кислота, которые разъедают стенки альвеол легких подобно многим другим кислотам. Если своевременно не перекрыть доступ жидкости в аль­ веолы, то возникающий отек легких может привести к гибели. Оксиды азо­ та должны рассматриваться как вещества, представляющие серьезную опас­ ность для здоровья человека.

Действие озона на организм подобно действию N02, он также вызывает

отек легких.

Оксиды азота подобно S02 являются причиной кислотных осадков. Озон значительно токсичнее оксидов азота при воздействии на раститель-

ность Изменения в атмосфере, вызванные человеком, значительны, хотя ино-

гда и неуловимы в глобальном масштабе. Наиболее ярко антропогенное

влияние выражено в атмосфере городов.

В городской атмосфере присутствуют загрязняющие вещества, непо­ средственно выброшенные в нее, они называются первичными загрязните­ лями. Дым - наглядный пример первичного загрязнителя. Многие соедине­ ния, однако, вступают в атмосфере в реакции. Продукты таких реакций на­ зывают вторичными загрязнителями. Различие между первичными и вто­ ричными загрязнителями обусловливает отличия между разными типами

загрязнения.

Загрязнение воздуха городов происходит в основном за счет сгорания топлива. Топливо состоит обычно из углерода и углеводородов. Но есть и такие “экзотические” случаи, как ракетная промышленность, где в состав топлива могут входить азот, алюминий и даже бериллий.

При обычном процессе сгорания топлива продуктами являются диоксид углерода и вода, не являющиеся токсикантами. Однако при недостатке кис­ лорода при горении может образовываться угарный газ СО или сажа. При низких температурах реакции пиролиза могут вызвать изменения в располо­ жении атомов, приводящие к образованию полициклических ароматических углеводородов (см. рис. 2.6). Наиболее печально известен бенз(а)пирен (Б(а)П) - канцерогенное вещество.

Кроме того, загрязнения воздуха могут вызвать вещества, входящие в состав топлива. Так, наиболее распространенной примесью в ископаемом топливе является сера. Наибольшее количество серы содержат уголь и го­ рючие масла. Это виды топлива, используемые в стационарных источниках, таких, как котлы, печи, традиционные паровые двигатели, паровые турби­ ны и электростанции.

Сильные загрязнения и дым в атмосфере больших городов, а также вы­ деления сажи, связывают, прежде всего, со стационарными источниками. Сажа и S02 являются первичными загрязнителями.

Диоксид серы хорошо растворим в воде, которая конденсируется вокруг частиц дыма:

S O 2 + H 2 O -> H ++ H S O ;

Даже незначительные количества металлов-загрязнителей (железо, марганец) катализируют переход растворенного S02 в H2 S04:

HSO4 + 0 2 -- катад- )2Н+ + 2 SO4 "

Серная кислота обладает большим сродством к воде, поэтому образо­

вавшаяся капля дополнительно адсорбирует воду. Капли растут, туман сгущается.

Рассмотренные загрязнители - продукт функционирования стационар­ ных источников. Переход к углеводородным топливам, в том числе и полу-

чаемым из бензина, привел к появлению нового вида загрязнения воздуха, связанного с более высокой летучестью жидких топлив. Автотранспорт, как важнейший потребитель жидких топлив, стал основным источником со­ временного загрязнения воздуха в городах. Однако загрязнители, которые действительно вызывают проблемы, сами по себе автотранспортом не вы­ брасываются, а образуются в атмосфере в результате реакций первичных загрязнителей, таких, как NOx, с несгоревшим топливом, поступающим не­ посредственно из автомобилей. Химические реакции, приводящие к образо­ ванию вторичных загрязнителей, наиболее эффективно протекают при сол­ нечном свете. Поэтому возникающие вторичные загрязнители называют

фотохимическим смогом.

Поскольку топливо горит в атмосфере воздуха, неминуемо образование в качестве первичного загрязнителя N0:

N2 + 0 2 = 2N0.

Окисление оксида азота в смоге приводит к образованию вторичного за­ грязнителя - диоксида азота. Кислородообмен между N0 и N 02 приводит к образованию 0 3 - озона. Озон - это единственный загрязнитель, который наиболее явно характеризует фотохимический смог.

Летучие органические соединения, высвобождаемые при использовании топлив на основе бензина, также способствуют превращению N0 в N 02, при этом углеводород топлива окисляется до альдегида (молекулы которого со­ держат СНО-группу). Альдегиды раздражают слизистую оболочку глаз, а при высоких концентрациях канцерогенны.

Фотохимический смог, таким образом, сильно отличается от “классиче­ ского” (лондонского) смога, формировавшегося при сжигании угля. В отли­ чие от угля бензин как топливо дает мало дыма. Два газа, особенно харак­ терные для фотохимического смога, - озон и оксиды азота, ухудшают дыха­ ние. Альдегиды кроме раздражения слизистых оболочек глаз, носа и горла, вызывают головную боль. Образуются также азотсодержащие органиче­ ские соединения, наиболее известным из которых является пероксиацетилнитрат (ПАН), вызывающий раздражение глаз.

Фотохимический смог - не единственная проблема, создаваемая авто­ транспортом. С ним связаны также выделения свинца и бензола. Тетраэтил свинца до сих пор используется в виде добавки к бензину для улучшения ра­ боты автомобильных двигателей в качестве антидетонатора. Не содержа­ щий свинца бензин предложен в США в 1970-х годах, но до сих пор исполь­ зуется не в должной мере, особенно в России.

Бензол присутствует в неочищенной нефти и является полезным ком­ понентом, поскольку предотвращает преждевременное возгорание не со­ держащего свинец бензина (производственный процесс обычно построен так, чтобы концентрация бензола составляла около 5%). Однако опыт по­ казал, что в районах, где перешли на жидкое топливо с высоким содержа­ нием ароматических углеводородов, произошла интенсификация форми­ рования фотохимического смога. Причина - в высокой реакционной спо­ собности ароматических углеводородов в городской атмосфере. Отсюда видно, что решение одной очевидной экологической проблемы (свинец из бензина) может породить другую, гораздо более острую (рост фотохими­ ческого смога).

Бензол также является потенциальным возбудителем рака. Считают, что более 10% бензола, используемого человеком (33 Мт в год), в конце концов теряется в атмосфере. Обнаружение основного источника выбросов бензола в атмосферу затруднено из-за наличия многих причин, например, табачного дыма. Другим ароматическим соединением, в больших количест­ вах присутствующим в бензине, является толуол (С6 Н5 СН3), действующий на здоровье людей подобно бензолу, но более слабо.

2.2.3.3.3. Выбросы в водоемы

Большинство людей не осознает, что выбросы в водоемы существен­ но более опасны, чем прочие выбросы. Континентальные воды очень важны для человека, поскольку они являются единственным надежным источником питьевой воды. Химический состав рек, озер и грунтовых вод сильно варьирует и контролируется преимущественно тремя факторами: химией элементов, режимами выветривания и биологическими процесса­ ми. В наше время появился мощный четвертый фактор —антропогенное воздействие.

Основные компоненты состава природных пресных вод представлены пятью группами

1. Главные ионы - анионы HCOJ, COj”, S04~, СГ, катионы Са2+, Mg2+, Na+, К+. В табл. 2.34 приведены содержания катионов в континентальной ко­ ре и речных водах. Различие между составами континентальной коры и реч­ ной воды особенно заметно для алюминия и железа.

Воды Земли имеют преимущественно карбонатно-кальциевый состав.

2.Растворенные газы - 0 2, С02, СН4, H2S и др. Растворимость газов сильно зависит от температуры, давления и степени минерализации воды.

3.Биогенные элементы - соединения азота, фосфора, кремния. Азот и

фосфор присутствуют в виде как неорганических ( NH4, N 02, NOJ,

Н2 РО-), так и органических соединений, кремний - в виде кремниевой и поликремниевых кислот (частично в коллоидном состоянии), причем органи­

ческие вещества могут находиться как в растворенном, так и во взвешен­ ном виде.

Таблица 2.34

Содержание основных катионов в континентальной коре и речных водах, мг/кг

Катионы Континентальная кора Речные воды

Таблица 2.35

Главные загрязнители воды

ФСПАВ - синтетические поверхностно-активные вещества (или детергенты).

4.Микроэлементы - типичные катионы (Li+, Rb+, Cs+, Sr2+, Ba2+ и др.), ионы тяжелых металлов (Си, Ag, Аи, Pb, Zn, Ni, Со и др.), аморфные комплексообразователи (Cr, Mn, V), типичные анионы (Br , I , F ), радиоактив­ ные элементы.

5.Органические вещества.

Под загрязнением водоемов понимают снижение их биосферных функ­ ций в результате попадания в них вредных веществ.

Загрязнение вод проявляется в изменении физических и органолептиче­ ских свойств (нарушение прозрачности, окраски, запахов, вкуса), увеличе­ нии содержания сульфатов, хлоридов, нитратов, токсичных элементов, со­ кращении количества растворенного в воде кислорода, появлении радиоак­ тивных элементов, болезнетворных бактерий и т.д.

Установлено, что загрязнение воды могут вызвать более 400 видов ве­ ществ. Различают химические, биологические и физические загрязнители (табл. 2 .3 5 ).

Химическое загрязнение - наиболее распространенное, стойкое и да­ леко распространяющееся. Оно может быть органическим (фенолы, нафтеновые кислоты, пестициды и др.) и неорганическим (соли, кисло­ ты, щелочи).

При осаждении на дно водоемов или при фильтрации в пласте вредные химические вещества сорбируются частицами породы, окисляются или вос­ станавливаются, выпадают в осадок и т.д. Очаг химического загрязнения подземных вод в сильнопроницаемых грунтах может распространяться на десятки километров и более.

Биологическое загрязнение - выражается в появлении в воде патоген­ ных бактерий, вирусов (до 700 видов), простейших грибов. Этот вид загряз­ нений носит временный характер.

Физическое загрязнение - представлено, прежде всего, радиоактивными элементами. Наиболее опасны долгоживущие радиоактивные элементы (стронций-90, уран, радий-226, цезий и др.). Эти вещества попадают в поверхно-

Таблица 2.36

Примерный состав бытовых и промышленных сточных вод крупного города, мг/л

* ХПК - "химическая потребность в кислороде", или "дихроматная окисляемость", дает представление о содержании в воде органических веществ, способных к окислению сильными окислителями (определяется с помощью дихромата калия).

**ВПК - "биохимическая потребность в кислороде", характеризует степень загрязнения сточных вод органическими примесями, способными разлагаться микроорганизмами с потреблением кислорода, и показывает количество кислорода, потребляемого аэробными микроорганизмами.

стные водоемы при сбрасывании в них радиоактивных отходов, захоронении отходов на дне и т.д. Механическое загрязнение отличается попаданием в воду различных примесей (песок, шламы, ил), а также засорением воды твердыми бытовыми отходами, остатками лесосплава и др. Тепловое загрязнение прояв­ ляется в повышении температуры воды в результате ее смешивания с более на­ гретыми поверхностными или технологическими стоками. При повышении температуры происходит изменение состава и свойств воды, что может приве­ сти к размножению анаэробных бактерий, “цветению” воды и т.д. По сущест­ вующим нормам тепловая нагрузка не должна превышать 12-17 кДж/м2.

Загрязнение водоемов вызывается:

-сбросом в водоемы неочищенных сточных вод;

-смывом вредных веществ ливневыми стоками;

-газодымовыми выбросами;

-утечкой нефти и нефтепродуктов.

Наибольший ущерб водоемам причиняет выпуск в них неочищенных сточных вод. Сточные воды подразделяются на хозяйственно-бытовые, промышленные, поверхностные стоки предприятий и населенных пунктов, сельскохозяйственные, шахтные и рудничные.

Хозяйственно-бытовые сточные воды содержат органические и мине­ ральные вещества в растворенном и взвешенном состоянии (табл. 2.36). Они образуются в жилых и общественных зданиях, на предприятиях, при приго­ товлении пищи, после санитарных уборок, стирки, чистки и т.д.

Промышленные сточные воды отличаются большим разнообразием со­ става и концентраций загрязнителей, определяемых характером производ­ ства, а также системой водоснабжения и водоотведения. Выделяют 4 кате­ гории сточных вод.

На промышленных предприятиях до 90% воды расходуется на охлажде­ ние продуктов или агрегатов в технологических процессах, и сточная вода имеет лишь тепловое загрязнение - I категория. Аварийный режим или утечки в данном случае не принимаются во внимание.

Воды II категории - те, которые служат в качестве поглощающей и транспортирующей нерастворимые дисперсные примеси, которыми они и загрязняются.

Воды III категории аналогичны по происхождению водам II категории, но они не нагреваются при контакте с продуктами.

Воды IV категории являются непосредственно реакционным агентом и загрязнены всеми компонентами технологического процесса.

По происхождению сточные воды предприятий подразделяют на три вида:

-производственные - использованные или сопутствующие технологи­ ческому процессу, которые, в свою очередь, делят на загрязненные и норма­ тивно чистые;

-бытовые - от санузлов, пищеблоков, душевых установок;

-атмосферные - дождевые, талые, а также поверхностные после поли­ ва территории.

Все многообразие производственных сточных вод по характеру основ­ ных загрязнений можно свести к трем группам:

-содержащие минеральные примеси (угольная промышленность, энер­ гетика, машиностроение, металлургия, производство строительных матери­ алов, минеральных кислот, удобрений и др.);

-содержащие органические примеси (мясная, рыбная, консервная пище­ вая промышленность и др.);

-содержащие органоминеральные примеси (нефтедобывающие, нефте­ перерабатывающие, текстильные предприятия и др.).

По концентрации (мг/л) примесей загрязненные промышленные стоки классифицируются по четырем группам:

-слабоконцентрированные (0—500);

-среднеконцентрированные (500-5000);

-концентрированные (5000-30 000);

-высококонцентрированные (более 30 000). По агрессивности стоков выделяют:

-неагрессивные - pH 6 ,5-8,0;

-слабоагрессивные - pH 6 ,0-6,5 и 8-9; ~ сильноагрессивные - pH < 6 и > 9.

Поверхностные стоки населенных пунктов - формируются за счет до­

ждевых, талых и поливомоечных вод. Концентрация загрязняющих веществ в поверхностном стоке колеблется в широких пределах. По составу преоб-

ладают взвешенные (130-11 300 мг/л) органические вещества, нефтепроду­

кты, биогенные элементы, тяжелые металлы.

Сельскохозяйственные стоки - подразделяются на стоки животноводче­ ских комплексов, поверхностные стоки с полей, коллекторно-дренажные воды.

Использование промышленных методов хозяйствования и концентра­ ция большого количества скота на небольших площадях сделали животно­ водство одним из основных источников загрязнения водных объектов. Ко­ личество отходов на животноводческих комплексах и фермах довольно зна­ чительно и превышает объем бытовых отходов. Основными загрязняющи­ ми компонентами стоков животноводства являются органические вещества,

азот, фосфор.

Составы поверхностного стока ливневых и талых вод с сельскохозяйст­ венных угодий содержат вещества, применяемые в качестве удобрений и средств защиты растений: азот, фосфор, калий, пестициды.

Орошение земель приводит к вымыванию из них легкорастворимых со­ лей, в первую очередь натрия, сульфатов и хлоридов.

Шахтные и рудничные воды - часто имеют высокую минерализацию, кислую реакцию среды и содержат большое количество рудных элементов, которые интенсивно концентрируются как в жидкой фазе, так и во взвесях.

Наиболее существенны антропогенные воздействия на водоемы в рай­ онах промышленных зон, водохранилищ и гидроузлов, сельскохозяйствен­ ного производства, мелиорации земель, добычи полезных ископаемых.

Воздействие человека сказывается, прежде всего, на гидрохимическом режиме водных объектов, который характеризуется химическим составом воды, взвесей, живых организмов и донных отложений, а также процессами обмена веществ между ними.

Степень устойчивости водных объектов зависит от объема системы, гидрологического и гидрохимического режимов. При антропогенном воз­ действии увеличивается минерализации воды, изменяется соотношение главных ионов (например, воды из гидрокарбонатно-кальциевых превраща­ ются в сульфатно-кальциевые, сульфатно-хлоридно-натриевые и т.д.), рас­ тет концентрация биогенных элементов, токсичных металлов, изменяется соотношение растворенных и взвешенных фракций и т.д. При снижении транспортной способности потока взвешенные частицы отлагаются на дне, образуя техногенные потоки рассеяния в донных отложениях. Эти потоки, в свою очередь, могут концентрировать в себе широкий комплекс элементов, содержание которых может превышать фон в десятки и сотни раз.

В Российской Федерации забор воды на различные нужды составлял в 1991 г. 117 км3 в год, или 2,7% от среднего многолетнего стока —4300 км3 в год, из которых 53% направлялось на нужды промышленности, 16% - на орошение, 15%—на хозяйственно-питьевые нужды, 4% —на сельскохозяйст­ венное водоснабжение, 1 2 % - прочее. При средней невысокой величине за­

бора воды (2,7%) в отдельных регионах (европейская часть, Урал) забор до­ ходит до 50%. v F

По различным данным расход воды в расчете на 1 т готовой продукции составляет, м3: г

-синтетического волокна - 500-1000;

-хлопчатобумажной ткани - более 1 0 0 0 ;

—пластмасс - 500-1000; —бумаги —400-800; —никеля - 4000; —меди - 500; —нефти - 2 0 .

Очень большое количество воды требуется для охлаждения ядерных ре­ акторов. Для одной атомной электростанции мощностью 1000 МВт каждую минуту требуется 320 тыс. л (соответственно в сутки 4,6 млрд л) воды.

Затраты сельского хозяйства на орошение (м3 /га): —зерновые —1500-3500; —многолетние травы - 2000-8000; —хлопок —5000-8000; —рис - 8000-15 000.

Значительное количество пресной воды, включая питьевую, расходует­ ся для удовлетворения бытовых нужд населения. На одного жителя благо­ устроенного города приходится около 2 0 0 л в сутки.

Высокая величина забора воды (по отдельным рекам) является первой и главной причиной деградации водоемов. Вторая причина - интенсивное гид­ ротехническое строительство. Так, Братское водохранилище имеет объем 179 км3, Усть-Илимское - 60, Куйбышевское - 58, Градское - 32 км3. Общая площадь водного зеркала водохранилищ в РФ - 15 млн га (или 10% терри­ тории), из этой величины 60-70% занимают затопленные деградирующие земли. Третья причина - загрязнение водных объектов. Прямой сброс сточ­ ных и ливневых вод в 1991 г. (эта величина мало меняется) составил 73.2 км3, или 4 % глобального мирового объема сточных вод (1800 км3). При доле населения России - 2,7% от мирового, на душу населения, следователь­ но, в Российской Федерации сброс в 1,5 раза выше среднемирового. Из 73.2 км3 сбросовых вод 42,3 км3 являются нормативно-чистыми (но не про­ ходившими очистку), 2,9 км3 - нормативно-очищенные, 28,0 км3 - грязные. Эти цифры являются приблизительными и явно заниженными. Так, трудно точно оценить смыв вод с сельскохозяйственных территорий, где с водой уносится около 50% удобрений и ядохимикатов. В водоемы попадает также значительная часть выбросов вместе с атмосферными осадками. Четвертой причиной деградации водоемов является нарушение режима подземных вод. К ним относится попадание в эти воды загрязнителей - сульфатов, хлори­ дов, нефтепродуктов, фенолов, токсичных металлов и др., понижение уров­ ня подземных вод из-за интенсивного забора воды (степень освоения под­ земные вод в России невысока - около 25%), вскрытие подземных вод при строительстве карьеров, шахт, добыче нефти и т.д.

В Российской Федерации уровень знаний населения и даже специалистов о состоя*^ водоемов крайне низок, что позволяет появляться и распростра­ няться заблуждениям, тиражируемым средствами массовой информации.

2.2.3.3.4. Выбросы в литосферу

Высматривая различные схемы распространения поллютантов в био­ сфере, следует признать, что по общему количеству выбросы в литосферу наиболее высоки и разнообразны. Это и текущие промышленные отходы, отходы сельскохозяйственных предприятий, твердые бытовые отходы, от­