3.3. Экотоксикология — новая наука об окружающей среде

Стратегия мониторинга токсического загрязнения окружающей среды в индустриально развитых странах основана на современных научных до­стижениях, из которых следует особо выделить два главных направления:

— экотоксикологический подход к анализу антропогенного воздей­ствия на окружающую среду;

— использование концепции оценки риска (анализа, оценки и управления риском).

Экотоксикология и оценка риска представляют собой сравнительно новые отрасли научного знания, тем не менее именно эти научные направления стоят в авангарде мировых тенденций развития методо­логии контроля качества природной среды и оценки экологической опасности.

Отправной точкой в выделении экотоксикологии как самостоятель­ной области знаний об окружающей среде явилась публикация «Принци­пы экотоксикологии», подготовленная в 1978 г. Научным Комитетом по проблемам окружающей среды (SCOPE).

Публикация была основана на более ранних исследованиях, в част­ности по загрязнению окружающей среды радионуклидами. В публикации экотоксикология была определена как наука, изучающая воздействие пол-лютантов на окружающую среду и биоту. При этом человек рассматривался как наиболее важная часть биоты, а эффекты поллютантов на здоровье^' человека — как центральное звено в экотоксикологии.

Большой вклад в развитие экотоксикологии внесли канадский эколог Butler G. С., специалисты из североевропейских стран Т. Rosswal, L. Rasmussen.

Выделены две главные причины тесной связи между деятельностыод человека и экотоксикологией:

— человек изменяет окружающую среду, продуцирует и «выделяет» в нее поллютанты;

— все изменения в окружающей среде или биоте могут действовать (прямо или косвенно) на физическое, экономическое или эстетическое благополучие человечества.

Термин «экотоксикология» становится все более популярным, но часто его употребляют неправильно, путая с токсикологией. Одно из главных отличий между классической токсикологией и экотоксикологией состоит в том, что последняя имеет четырехкомпонентный пред­мет исследований.

1. Вещества (поллютанты) освобождаются (выбрасываются) в окружающую среду; количества, формы и состояния поллютантов должны быть известны, если соответствующее «поведение» их уже было изучено.

2. Вещества транспортируются географически и в пределах различной биоты. При этом их химическая структура, вероятно, трансформируется, а содержание в окружающей среде повышается за счет накопления.

Важно, что «поведение» различных компонентов и их токсичность существенно отличаются. Природа этих процессов для основных загрязня­ющих веществ пока недостаточно изучена. Опасность, связанная с не­определенностью конечной судьбы некоторых химических веществ, воз­растает, в связи с чем она должна быть установлена и обоснована документами в ближайшие годы.

3. Поллютанты воздействуют на один или более организм-мишень. Для того, чтобы это оценить, нужно вначале идентифицировать природу мишеней (сам человек, домашний скот, популяция, экосистема и т. д.) и исследовать тип воздействия.

4. В классической токсикологии рассматривается отклик отдельного организма на воздействие загрязняющего вещества, в экотоксикологии — отклик популяции, сообщества или экосистемы на воздействие загрязняю­щего вещества (возможно, трансформированного) в соответствующей временной шкале.

Все оценки конечных эффектов воздействия поллютантов на окружа­ющую среду даются только в количественном выражении.

Главными направлениями экотоксикологии в настоящее время считают:

— идентификацию загрязняющих веществ, их форм и компонентов в экосистеме, в которой они находятся;

— изучение эффектов воздействия загрязняющих веществ, в частно­сти биохимических, физиологических и анатомических, на отдельных индивидуумов или небольшие группы отдельных видов, что способствует выявлению мишеней воздействия на уровне индивидуума;

— изучение эффектов воздействия загрязняющих веществ на популяционном уровне, сравнение с видовыми эффектами, выделение наи­более чувствительных видов и наиболее важных эффектов для этих видов;

это помогает выявить мишени и точки приложения на популяционном уровне;

— количественное изучение миграции поллютантов в экосистеме, в том числе количества токсикантов, достигающих мишени через воздух, воду, почву и пищу, времени циркуляции определенных концентраций токсикантов в этих средах, физиологии и метаболизма организмов-ми­шеней при воздействии этих концентраций;

— изучение комбинированных эффектов воздействия поллютантов для количественной и интегрированной оценки их воздействия на окру­жающую среду.

Экотоксикологический подход к анализу окружающей среды полу­чил широкое распространение. На перечисленных принципах базиру­ются как национальные системы и программы мониторинга окружаю­щей среды, в том числе мониторинга качества вед, так и международные программы и исследования в рамках деятельности крупных междуна­родных организаций. К числу таких организаций относится Научный Комитет по проблемам окружающей среды (SCOPE) при Международ­ном Совете Научных Союзов (ICSU), Международная программа хи­мической безопасности (IPCS) и Научная группа по методологии оценки опасности химических веществ (SGMSEC) при ВОЗ, различные про­граммы ЮНЕП (в частности, программа «Глобальная система монито­ринга окружающей среды» — ГСМОС), Международный Регистр потенциально токсичных химических соединений (IRPTC), Междуна­родная Академия безопасности окружающей среды (IAES), Научный Комитет НАТО и другие.

Основная литература: 1 [151-162].

Контрольные вопросы:

1) Какие задачи решаются методами экотоксикологии?

2) В чем суть экологического нормирования?

Тема лекции 4: Нормирование ЗВ в воздухе

Научно обоснованные нормы ПДК в приземном слое атмосферы должны обеспечиваться контролем нормативов для всех источников выбросов – от стационарных до передвижных (транспортных). Такими нормативами являются предельно допустимые выбросы- ПДВ. Это максимальные выбросы в единицу времени для данного природопользователя по данному компоненту с учетом присутствующих примесей, т.е. присутствуют выбросы нескольких веществ, то сумма отношений концентраций загрязняющих веществ к их ПДК (с учетом С_ф) не должна превышать единицы:

j = ( 4.1 )

где С_i – концентрация i–го вещества; ПДК_i – предельно допустимая концентрация i-го вещества; С_фi – фоновая концентрация i-го вещества; n - число суммируемых веществ.

В расчетах при определении опасности загрязнения атмосферы, например, промышленным предприятием, за приземный слой атмосферы принимают пространство до 2 м над поверхностью земли – т.е. с человеческий рост.

Расчет ПДВ и максимальной приземной концентрации производится в со­ответствии с «Методикой расчета концентрации в атмосферном воздухе вред­ных веществ, содержащихся в выбросах предприятий» (ОНД-86). В основу рас­чета положено использование следующей формулы: например, для случая на­гретых выбросов из близкорасположенных между собой труб

(4.2)

где ПДК – максимально разовая ПДК, мг/м³;

С_ф – фоновая концентрация это­го же вещества в воздухе данного населенного пункта, мг/м³;

Н – высота труб, м;

A – коэффициент стратификации –120 (для Казахстана 200);

V₁ – объем дымовых газов, выбрасываемых в единицу времени, м³/с;

ΔТ – перегрев газов относительно окружающего воздуха, °С;

F – безраз­мерный коэффициент, определяющий скорость осаждения примесей в атмос­фере (для газов и мелкодисперсных аэрозолей F =1);

т и n — безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника;

η – коэффициент, характеризующий соответственно неблагопри­ятные климатические условия и влияние рельефа (для ровной местности η = 1).

Расчет ПДВ для источников холодных выбросов производится по формуле ПДВ_х= [8V₁(ПДК – С_ф)Н^4/3] AFnηD (4.3.)

где D – диаметр источника выброса, м.

Задача 1. Расчет ПДВ.

Определить предельно допустимый выброс диоксида серы и его максималь­ную приземную концентрацию из дымовой трубы котельной высотой Н = 40 м, диаметром устья В = 1,4 м. Мощность выброса диоксида серы М = 12 г/с, сред­няя скорость выхода дымовых газов из трубы ω₀ = 7 м/с, температура дымовых газов Т = 120°С, температура окружающей среды T₀ = 20°С, ПДК_SO2 в атмос­ферном воздухе = 0,5 мг/м³, фоновая его концентрация = 0,05 мг/м³.

Решение. Расчет ПДВ для одиночного стационарного источника с круглым устьем определяем по формуле (10)

Значение коэффициентов m и n определяется в зависимости от параметров f и v_m.

где ω₀ – средняя скорость выхода дымовых газов из устья трубы, м/с.

При значении f < 100,

Коэффициент n при значениях f < 100 определяется в зависимости от V₁ и v_m.

м/с.

При 0,5 ≤ v_m < 2,

n = 0,532 v_m² – 2,13v_m + 3,13 = 0,532 · 1,95²– 2,13· 1,95 + 3,13 = 1.

Таким образом, для диоксида серы

г/с.

Максимальная приземная концентрация диоксида серы для данного источ­ника в атмосферном воздухе определяется по следующей формуле:

мг/м³.

Основная литература: 1 [404-416].

Контрольные вопросы:

1). Назовите нормативные требования к качеству газовых выбросов?

2)Представьте себе ситуацию, в которой, кроме уже имеющегося в районе металлургического комбината, построен еще один комби­нат. Подумайте над изложенными ниже вопросами и выберите пра­вильный ответ:

а) Что произойдет в этом случае с ПДК? Ответы: 1) возрастет, т. е. допустимое содержание какого-либо загрязняющего вещества, на­пример двуокиси серы в воздухе, увеличится; 2) снизится; 3) оста­нется неизменным.

б) Как изменится ПДВ двуокиси серы для первого комбината? Ответы: 1) увеличится; 2) снизится; 3) останется неизменным.

3). Как рассчитать ПДВ?

4) Как производят расчет максимальной приземной концентрации вредного вещества от холодного и нагретого источника?

5) Как можно сократить выбросы кислотообразующих веществ с угольных электростанций? Какие методы осуществимы в ближайшем будущем? В долгосрочной перспективе?

Тема лекции 5: Нормирование ЗВ в водных объектах.

Под качеством воды в целом понимается характеристика ее состава и свойств, определяющая ее пригодность для конкрет­ных видов водопользования (ГОСТ 17.1.1.01-77), при этом критерии качества представляют собой признаки, по которым про­изводится оценка качества воды.

Предельно допустимая концентрация в воде водоема хозяйст­венно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ПДК,) —это концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать прямого или косвенного влияния на организм челове­ка в течение всей его жизни и на здоровье последующих поколе­ний и не должна ухудшать гигиенические условия водопользо­вания.

Предельно допустимая концентрация в воде водоема, исполь­зуемого для рыбохозяйственных целей (ПДК_рыб) — это концентра­ция вредного вещества в воде, которая не должна оказывать вредного влияния на популяции рыб, в первую очередь, промы­словых.

Нормирование качества воды состоит в установлении для вод­ного объекта совокупности допустимых значений показателей ее состава и свойств, в пределах которых надежно обеспечиваются здоровье населения, благоприятные условия водопользования и экологическое благополучие водного объекта. Правила охраны поверхностных вод устанавливают нормы качества воды водо­емов и водотоков для условий хозяйственно-питьевого, культур­но-бытового и рыбохозяйственного водопользования. Вещество, вызывающее нарушение норм качества воды, называют загряз­няющим веществом.

Виды водопользования

Виды водопользования на водных объектах определяются ор­ганами Министерства природных ресурсов РФ и подлежат ут­верждению органами местного самоуправления субъектов РФ.

К хозяйственно-питьевому водопользованию относится исполь­зование водных объектов или их участков в качестве источников хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также для снабжения предприятий пищевой промышленности. В соответствии с Сани­тарными правилами и нормами СанПиН 2.1.4.1074—01, питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном отно­шении, безвредна по химическому составу и должна иметь благопри­ятные органолептические свойства.

К культурно-бытовому водопользованию относится использо­вание водных объектов для купания, занятия спортом и отдыха населения. Требования к качеству воды, установленные для культурно-бытового водопользования, распространяются на все участки водных объектов, находящихся в черте населенных мест, независимо от других видов водопользования на этих участках.

Рыбохозянственные водные объекты могут относиться к од­ной из трех категорий:

• к высшей категории относят места расположения нерести­лищ, массового нагула и зимовальных ям особо ценных ви­дов рыб и других промысловых водных организмов, а так­же охранные зоны хозяйств любого типа для разведения и выращивания рыб, других водных животных и растений;

• к первой категории относят водные объекты, используемые для сохранения и воспроизводства ценных видов рыб, об­ладающих высокой чувствительностью к содержанию ки­слорода;

• ко второй категории относят водные объекты, используе­мые для других рыбохозяйственных целей.

К сожалению, результаты многочисленных исследователь­ских работ, свидетельствующие о необходимости учета биохими­ческих особенностей водосборов при нормировании качества вод, не нашли отражения в действующей системе подходов.

Предельно допустимая концентрация вещества в воде уста­навливается:

• для хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водополь­зования (ПДК,) с учетом трех показателей вредности:

— органолептического;

— общесанитарного;

— санитарно-токсикологического;

• для рыбохозяйственного водопользования (ПДК,р) с учетом пяти показателей вредности:

— органолептического;

— санитарного;

— санитарно-токсикологического;

— токсикологического;

— рыбохозяйственного.

Органолептический показатель вредности характеризует спо­собность вещества изменять органолептические свойства воды.

Общесанитарный показатель определяет влияние вещества на процессы естественного самоочищения вод за счет биохимических и химических реакций с участием естественной микрофлоры.

Санитарно-токсикологический показатель характеризует вред­ное воздействие на организм человека, а токсикологический — показывает токсичность вещества для живых организмов, насе­ляющих водный объект.

Рыбохозяиственный показатель вредности определяет порчу качеств промысловых рыб.

Наименьшая из безвредных концентраций по трем (пяти) показателям вредности принимается за ПДК с указанием лими­тирующего показателя вредности.

Рыбохозяйственные ПДК должны удовлетворять ряду усло­вий, при которых не должны наблюдаться:

• гибель рыб и кормовых организмов для рыб;

• постепенное исчезновение видов рыб и кормовых орга­низмов;

• ухудшение товарных качеств обитающей в водном объекте рыбы;

• замена ценных видов рыб на малоценные.

На качество природных вод влияют природные и антропогенные факторы.