Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Экологическая токсикология. Учебник для студентов высших учебных заведений
.pdf
ГЛАВА 1. ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИРОДНЫХ СРЕД ОБИТАНИЯ И ИХ ПОСЛЕДСТВИЯ
Загрязнение воздуха
11
Антропогенное
Прочее
Жилища
Транспорт
Прочее
Промышленность
Рис. 1. Основные источники загрязнения атмосферы
Радио-
активное
Урановая
руда
Атомные
взрывы
Аварии
на ТЭЦ
Земное
Континен-
тальное
Органи-
ческое
Растения
Животные
Естественное
Внеземное
(космическая
пыль)
Морское
Дым
Неоргани-
ческое
Вулканизм
Выветри-
вание
4 млрд т. Примерно 1 млрд т солей каждый год поступает в атмосферу в результате разбрызгивания воды над поверхностью морей и океанов. При этом в процессе рециркуляции около 90 % этих солей снова
возвращается в океан.
Огромное влияние на материальный состав окружающей среды в глобальном масштабе оказало накопление свободного молекулярного кислорода в атмосфере (и растворенного в гидросфере), а также снижение
температуры среды. Кислород накапливался, по разным данным, 1,8–
2,0 млрд лет и пока считается неисчерпаемым ресурсом. По различным
оценкам, при полном сгорании всего доступного в месторождениях
12
ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ
ископаемого углерода содержание кислорода уменьшится на 1,7 %.
Зато темпы годового потребления человечеством горючих ископаемых
сегодня соответствуют количеству углерода, накапливавшегося при-
мерно 500 000 лет.
Все рассмотренные природные процессы могут быть не только долговременными, но и краткосрочными в локальном масштабе. Краткосрочные изменения материального состава биосферы могут являться след-
ствием постоянно идущей эрозии, землетрясений
и извержений вулканов.
Климатические явления, такие как засухи, морозы, колебания уровня рек
и другие, также имеют определенные геохимические последствия.
С появлением человека помимо естественных геохимических изменений наблюдаются и антропогенные изменения химического соста-
ва биосферы. Они связаны с увеличением численности населения и ин-
дустриализацией экономики. Резкое увеличение численности населения
последние 25 лет привело к скачку в интенсивности воздействия
за
на окружающую среду. При этом человечеству потребовалось чрезвы-
чайно активное использование материальных ресурсов для обеспечения
благосостояния и жизненного уровня населения. Например, увеличение
продовольственных товаров на 34 % с 1951 по 1966 год потребовало
увеличения внесения фосфорных удобрений на 75 %, а пестицидов —
на 300 %.
При наращивании мирового хозяйственного потенциала ежегодно
на 5–6 % влияние человека на окружающую природу удваивается каж-
дые 13 лет. Увеличение численности населения Земли в 2 раза приведет
к шестикратному увеличению воздействия на биосферу. Рост производства органических химических веществ на 9 % в год может привести
к 20-кратному изменению определенных параметров загрязнения окру-
жающей среды. Промышленное производство, включая выработку электроэнергии, строительство
и транспорт, влияет на окружающую среду
значительно больше, чем сельское хозяйство.
В сельском хозяйстве увеличение уровня внесения искусственных
удобрений также приводит к значительному изменению материального
состава окружающей среды как за счет количества вносимых химических веществ, так и за счет площади обрабатываемых земель.
Большой вклад в загрязнение окружающей среды вносит добыча
и химическая переработка сырьевых природных материалов. В горно-
добывающей промышленности имеют место такие объемы перемеще-
ния и химического превращения веществ, которые для многих неорганических соединений не только заметно изменяют природные химиче-
ские процессы, но и превышают их в количественном отношении.
Сама по себе переработка материалов в промышленном производстве
приводит
непосредственно лишь к минимальному поступлению этих
ГЛАВА 1. ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИРОДНЫХ СРЕД ОБИТАНИЯ И ИХ ПОСЛЕДСТВИЯ
13
веществ в окружающую среду (в виде отходов производства). Однако
в процессе применения и после все продукты поступают в окружающую
среду. Имеется несколько исключений, когда после использования некоторые материалы можно снова вернуть в производственный процесс
(вторичная переработка — рециклинг). В принципе вторичная переработка и повторное использование в качестве сырья возможны
только для
продуктов, поддающихся сбору после их применения.
Критериями оценки природных и антропогенных веществ по степени их воздействия на окружающую среду являются количество и объем запасов, частота появления и пространственная распространенность.
Пространственная распространенность вредных веществ подразделяется на локальную, региональную и глобальную.
К локальной относится распространенность (или эмиссия) ве
ществ в результате непосредственной деятельности человека на некоторой ограниченной или поддающейся ограничению территории. К локальным загрязнениям приводит большинство аварий на предприятиях.
Накопленные локально концентрации веществ могут оказывать нежелательные воздействия на человека и живые организмы. Если этот
вред известен, он должен тщательно контролироваться на технологическом уровне. Если
риск применения оказывается выше, чем полученная польза, необходимо немедленно прекратить локальное загрязнение
путем соответствующих организационно-технических мероприятий.
Региональная распространенность веществ характеризуется
большой площадью эмиссии в рамках одного или нескольких регионов.
Региональные изменения вызывают вещества, относительно широко
распространенные и используемые на больших территориях (например,
удобрения). К ним же относятся особо крупные
аварии на трубопрово-
дах вблизи рек или аварии танкеров вблизи побережья.
Глобальной распространенностью отличаются долгоживущие
и низкодисперсные вещества. Благодаря повышенной стойкости они
могут распространяться на чрезвычайно обширные территории и формировать глобальный биосферный фон. К таким веществам относятся
хлорорганические соединения, диоксины, фреоны.
Ориентировочно в настоящее время во всем мире производится
около 80 тысяч видов химических продуктов. Ежегодно на рынок поступают тысячи новых соединений. Всего в мире используется около
250 млн т органических химических продуктов, значительная часть
которых после использования бесконтрольно попадает в окружающую
среду. Это приводит к изменению химического состава биосферы. В циклы природы всё больше и больше вовлекается чуждых
ей вредных
веществ — ксенобиотиков, что приводит к многочисленным серьезным
экологическим последствиям.
-
14
ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ
Одними из основных антропогенных источников химического
загрязнения окружающей среды являются жилищно-коммунальный
комплекс, сельское хозяйство и транспорт. Например, 80-квартирный жилой дом является источником 8000 м
3
сточных вод и 2 т бы-
товых отходов в месяц. Объекты жилищно-коммунального хозяйства и сельского хозяйства в совокупности образуют около 60 %
сточных вод.
Транспортные средства выбрасывают в атмосферу около 88 % ток-
сичных веществ, в то время как на долю промышленных предприятий
приходится около 12 %. Среди отраслей российской промышленности
основными загрязнителями официально признаны
топливно-энергети-
ческий комплекс (около 15–30 % от всей промышленности), металлур-
гия (10–25 %), нефтедобыча и переработка нефти (примерно 4–7 %),
химическая промышленность (2–3 %).
Источники загрязнения могут быть точечными (локализованными),
например, труба ТЭЦ, сточная труба мясоперерабатывающего предприятия, дымовая труба дома или выхлопная труба автомобиля, и не
точечными (площадными). Примером может служить сток удобрений
и пестицидов с
полей, а также многочисленные загрязнители, попадающие в реки и водотоки с урбанизированных территорий и их
окрестностей.
С точки зрения возможности регулирования, источники антропогенного загрязнения подразделяют на контролируемые и неконтролируемые. К контролируемым относятся источники, поддающиеся ре-
гулированию (стоки и выбросы предприятий, населенных пунктов
и др.). Неконтролируемыми являются загрязнения,
связанные с аварийными утечками, с поверхностными смывами с сельскохозяйственных и лесных территорий, на которых распыляются ядохимикаты,
с природными источниками.
По форме загрязнения бывают: химические (вещества), физические (тепло, шум, радиация), биологические (микроорганизмы или их
токсины).
Кроме того, загрязняющие химические продукты классифицируют
по источникам поступления, областям применения и характеру воздей
ствия. Биоциды (например, инсектициды, гербициды, фунгициды и т. д.)
являются весьма значимыми для биосферы химическими продуктами,
поскольку длительное время применяются против живых существ
в окружающей среде. Добавки к пищевым продуктам и косметическим
средствам также имеют большое значение, так как они непосредствен-
но используются человеком. Другие группы химических продуктов —
удобрения, моющие
средства, растворители и другие тоже не менее
опасны, поскольку они потребляются обществом в больших количествах.
-
ГЛАВА 1. ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИРОДНЫХ СРЕД ОБИТАНИЯ И ИХ ПОСЛЕДСТВИЯ
15
1.2. Загрязнение атмосферного воздуха
Атмосферный воздух является самой важной жизнеобеспечи вающей
природной средой и представляет собой смесь газов и аэро золей приземного слоя атмосферы, сложившуюся в ходе эволюции Земли, деятельности человека и находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений. Масса атмосферного возду ха на нашей
планете составляет пять тысяч триллионов тонн. Она
включает 78,08 %
(по объему) азота, 20,95 % кислорода, 0,03 % углекислого газа, 0,93 %
аргона, неона, гелия и криптона, 0,002 % водорода, а также десятитысячные доли процента озона, метана, оксида углерода, оксида азота
и других газов.
Для атмосферы характерна высокая динамич ность, обусловленная
быстрым перемещением воздушных масс в горизонтальном и вертикальном направлениях. Она отличается высокими скоростями и разно
образием протекающих в ней физико-химических реакций. Поэтому
атмосфере свойствен на наибольшая способность к самоочищению
по сравнению с дру гими компонентами биосферы.
1.2.1. Естественные источники загрязнения
атмосферного воздуха
К естественным источникам загрязнения атмосферного воздуха относится космическая пыль, которая образуется из остатков сгоревших
в атмосфере метеоритов. Ежегодно на Землю выпадает от 2 до 5 млн т
космической пыли.
Составной частью атмосферы является природная пыль. Она имеет
органическое и неорганическое происхождение и образуется в результате:
– разрушения и выветривания горных пород;
– выветривания почвы степей и безводных пустынь;
– вулканических извержений;
– лесных, степных и торфяных пожаров;
– испарения с поверхности морей.
Атмосферная природная пыль выполняет экологическую фун кцию.
Она способствует конденсации водяных паров и образованию осадков,
поглощает прямую солнечную радиацию и защищает жи вые организмы
от солнечного излучения.
К природным источникам загрязнения
приземной атмосферы относятся вулканы и флюидная активность Земли. Вулканы выбра сывают
в атмосферу Земли от 30 до 150 миллионов тонн газов и от 30 до 300
миллионов тонн мелкодисперсного пепла. В состав этих выбросов входят: оксиды азота, серы, углерода, метан и другие угле водороды, радон,
-
16
ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ
радиоактивные элементы и тяжелые металлы в га зообразной и аэрозо-
льной формах. По сравнению с ними техноген ные источники выбрасы-
вают в год от 25 до 75 миллионов тонн пыли, а мировой антропогенный
выброс серы составляет от 100 до 150 миллионов тонн.
Поступление загрязняющих веществ с глубинными флюида ми
в приземный слой атмосферы наблюдается не только
в областях вулка-
нической и газотермальной деятельности, но и в таких стабильных гео-
логических структурах, как Русская платформа. Земная кора содержит
различные газы в свободном состоянии, сорбированные разными породами и растворенные в воде. Они выходят в атмосферу по всей поверхности Земли, но наиболее интенсивно по многочисленным разломам
коры. По
таким глубинным разломам и трещинам часть таких газов,
как, например, радон и метан, достигает поверхности Земли и диффун-
дирует в атмосферу.
Газообразные выбросы многих вулканов содержат около 100 органических соединений. В спонтанных газах гидротермальных источников в районах сейсмической активности идентифицировано более 60 органических соединений, представленных углеводорода ми, легколету-
чими карбонильными
соединениями и спиртами, галогенуглеводоро-
дами (фреонами).
Значительные количества фреонов обнаружены в газах вулка нов
Никарагуа. То, что обнаруженные фторуглеводороды не имеют антропогенного происхождения, доказано тем, что они содержались в пу-
зырьках воздуха антарктического льда возрастом 2 тыс. лет. Кро ме того,
фреоны были обнаружены специалистами НАСА в воздухе из герметично запаянного свинцового гроба, обнаруженного в шта те Мэриленд
и датированного XVII веком. Фреоны были найдены также в воде, извлеченной в 1982 году с глубины более 4 тыс. м в эква ториальной части
Атлантического океана, у дна Алеутской впадины и на глубине 4500 м
у берегов Антарктиды. Это является еще одним под тверждением существования
природных источников фреонов.
Эти открытия требуют пересмотра сложившегося представле ния
о формировании озонового слоя атмосферы и связанных с ним экологических последствий. Образование озоновых дыр долгое вре мя
объясняли разрушающим действием фреонов. Принято считать, что
эти вещества, инертные в нижних слоях атмосферы, медленно диффундируют в атмосферу, где подвергаются фотолитическому разру-
шению с выделением хлора, участвующего в разрушении озо на.
В результате в ведущих промышленных странах производство и применение хлорфторуглеводородов было ограничено или даже прекращено полностью. Одновременно началась замена фреонов менее
опасными для окружающей среды фторуглеводородами. Поэтому
ГЛАВА 1. ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИРОДНЫХ СРЕД ОБИТАНИЯ И ИХ ПОСЛЕДСТВИЯ
17
сейчас отмечается некоторое снижение скорости прироста глобальной фоновой концентрации фреонов.
Крупные извержения вулканов приводят к глобальному и долговременному загрязнению атмосферы, о чем свидетельствуют ле тописи
и данные современных наблюдений. Это обусловлено тем, что в высокие слои атмосферы за очень короткое время выбрасыва ются огромные
количества газов, которые на большой
высоте под хватываются воздуш-
ными потоками и быстро разносятся по всему земному шару.
После крупных вулканических извержений атмосфера в тече ние
нескольких лет остается в загрязненном состоянии, что приво дит к загрязнению снеговых осадков, увеличению содержания суль фатов, нитратов и соответственно кислотности снеговой воды. В снеговых осадках накапливаются тяжелые
металлы. Например, в снеговых выпадениях на территории Европейской части России вы явлены аномально
высокие концентрации фтора, лития, сурьмы, мышьяка, ртути, кадмия
и других тяжелых металлов, которые при урочены к узлам сочленения
активных глубинных разломов и име ют природное происхождение. Основная часть тяжелых металлов, находящихся в снеговом покрове, растворяется в
снеговой воде, т. е. переходит в подвижную форму. В таком
виде они мигрируют в по верхностные и подземные воды, а затем в пищевую цепь и организм человека.
Снег захватывает существенную часть продуктов техногенно го загрязнения атмосферы и накапливает их в течение зимнего пери ода. Химический состав фильтрата талого снега
формируется в ре зультате поступления с осадками различных химических элементов, поглощения
снеговым покровом газов и водорастворимых аэрозо лей и взаимодействия со снеговым покровом твердых частиц, оседа ющих из атмосферы.
При этом считается, что если количество вы падающего со снегом твердого осадка характеризует запыленность территории, то фильтрат талого снега отражает
степень загрязнения воздушного бассейна водорастворимыми соединениями. Удвоение фонового содержания загрязнений оказывается еще в пределах ес тественных флуктуации экосистемы.
При дальнейшем повышении концентрации загрязнений в снежном
покрове в экосистеме начина ется деградация чувствительных компонентов, но процессы еще об ратимы. При более чем десятикратном увеличении загрязнения в экосистеме начинается деградация
основных
компонентов с необра тимыми процессами.
Большое количество сероводорода, аммиака, углеводородов, оксида и диоксида углерода и других веществ поступает в атмосфе ру в результате деятельности живых организмов и биологического разложения
веществ.
18
1.2.2. Техногенное загрязнение атмосферного воздуха
ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ
Большинство опасных загрязняющих веществ поступает в природную среду через атмосферу. Поэтому загрязнение приземной атмосферы оказывает мощное и постоянное воздействие на челове ка и окружающую среду.
Важнейшим параметром, оп ределяющим масштабы распространения загрязнителя в атмосфе ре, является время его жизни в ней. Исходя
из этого, выбросы загряз няющих веществ делятся
на три типа:
1. Выбросы, приводящие к загрязнению в глобальном масштабе
К ним относятся выбросы веществ с большим временем жиз ни
в атмосфере (годы или месяцы), способные распространяться в окру-
жающей среде в глобальном масштабе независимо от места их выброса (углекислый газ, фреоны, радионуклиды и пр.). Сохране ние и рас-
пространение
газов и аэрозолей зависит от их химической устойчи-
вости, размера аэрозолей и присутствия в атмосфере сопут ствующих
активных химических соединений (озон, пероксид водо рода и др.).
Поэтому в трансграничных переносах загрязняющих веществ уча-
ствуют главным образом химические элементы и со единения в виде
газов, неспособных к химическим реакциям и устойчивых в условиях
атмосферы.
2. Выбросы, приводящие к загрязнению в региональном масштабе
Такие выбросы веществ отличаются ограниченным (до не скольких
суток) временем жизни в атмосфере. Но этого времени жизни достаточно, чтобы привести к загрязнению крупного регио на, за пределами
которого концентрация загрязнителя быстро пада ет. В следовых коли-
чествах такие загрязнения могут распространять ся и далеко
за пределы
региона (оксиды серы и азота, пестициды, тяжелые металлы).
3. Выбросы, приводящие к загрязнению в локальном масштабе
Локальное загрязнение наблюдается при выбросах веществ с малым
временем жизни в атмосфере (грубодисперсные аэрозоли, сероводород
и другие вещества, а также загрязнители регионально го типа, например
оксиды серы или азота, если они выбрасываются из низких
источников).
После выхода из источника загрязняющие вещества подверга ются
физическим и химическим изменениям. Они перемещаются и распространяются в пространстве, разбавляются в общей массе ат мосферного
воздуха, окисляются и образуют аэрозоли.
Аэрозоли представляют собой твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. В атмосфере аэро зольные
загрязнения воспринимаются в
виде дыма, тумана, мглы или дымки.
Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром.
ГЛАВА 1. ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИРОДНЫХ СРЕД ОБИТАНИЯ И ИХ ПОСЛЕДСТВИЯ
19
Средний размер аэрозольных частиц составляет 1–5 мкм. В атмосферу
3
Земли ежегодно поступает около 1 км
пылевидных частиц техноген-
ного происхождения.
Аэрозоли разделяются на первичные (выбрасываются из источников загрязнения), вторичные (образуются в атмосфере), лету чие
(переносятся на далекие расстояния) и нелетучие (отлагаются на поверхности вблизи зон пылегазовых выбросов). Устойчивые и тонкодисперсные аэрозоли (например, кадмий, ртуть, сурьма, йод-131 и др.)
имеют тенденцию накапливаться
в низинах, заливах и других понижениях рельефа, в меньшей степени — на водоразделах. Аэродинамическими барьерами являются также крупные лесные массивы и активные глубинные разломы значительной протяженно сти. Некоторые
из них получили название «облачные линеаменты». Причина этого
заключается в том, что такие разломы контролируют физические поля,
ионные потоки Земли и
служат своеобразной пре градой для переме-
щения воздушных масс.
В зависимости от периодичности различают выбросы посто янные
(или непрерывные) и периодические (или залповые), в том числе аварийные. Газообразные загрязнители и аэрозоли выбрасы ваются в атмосферу через дымовые трубы, аэрационные фонари и различные вентиляционные устройства. В зависимости от высоты
источники выброса подразделяются на высокие (высота более 50 м), средней высоты
(высота от 10 до 50 м), низкие (высота от 2 до 10 м), наземные (высота
более 2 м).
При некоторых погодных условиях могут образовываться осо бо
большие скопления вредных газообразных и аэрозольных приме сей
в приземном слое воздуха. Обычно это происходит в тех
случаях, когда
более холодный воздух располагается под теплым, т. е. возни кает инверсия. Это задерживает перенос примесей вверх, способ ствует их концентрации под слоем инверсии, что становится одной из причин образования фотохимического смога.
Фотохимический смог представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного происхождения,
а также химических
соединений, образующихся в результате вто ричных
химических реакций. Эти реакции протекают наиболее эф фективно при
солнечном свете между окислами азота и несгоревшим топливом, содержащимися в выхлопных газах. В состав основных компонентов
смога входят озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические
соединения перекисной природы, называемые фотооксидантами.
Фотохимический смог впервые был отмечен
в Лос-Анджелесе
во время Второй мировой войны. Пусковым механизмом этой химической реакции является сжигание бензина в автомобильном двига теле
20
ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ
не в присутствии чистого кислорода, а в воздухе, в котором наряду
с кислородом присутствует азот. Несмотря на то что азот от носится
к инертным газам, при высокой температуре его молекула окисляется
с образованием оксида азота. При интенсивной солнеч ной радиации
и при повышенной инверсии продолжительностью не менее суток меж-
ду оксидом азота
, углеводородами и другими заг рязнителями в атмо-
сфере происходят фотохимические реакции. Ок сид азота окисляется
в атмосфере до диоксида азота, который поглощает солнечный свет. Под
действи ем солнечной радиации диоксид азота разлагается на оксид
азота и атомарный кислород, который способствует образованию озона.
Ка залось бы, последний, окисляя оксид азота, должен снова превра-
щаться в молекулярный кислород, а оксид азота — в диоксид. Но этого
не происходит. В условиях фотохимического смога оксид азота вступает в реакции с органическими веществами, поступающими в атмосфе-
ру с выбросами несгоревшего топлива с образованием альдегидов (молекул, содержащих СНО-группу) и избытка озона. Таким образом, воз-
никает циклическая реакция
, в итоге которой в атмосфере посте пенно
накапливаются озон и различные перекиси, которые в сумме и образуют характерные для фотохимического смога оксиданты. Оксиданты
фотохимического смога являются источником свободных радикалов,
отличающихся особой реакционной способностью.
В последнее время в качестве автомобильного топлива исполь зуется
бензин, не содержащий свинец. Свинец наряду с бензолом
добавлялся
в топливо в качестве антидетонатора для предотвраще ния преждевременного возгорания. При переходе на бензин, не со держащий свинец,
количество выбросов свинца в атмосферу уменьшилось. Но вместо
свинца в бензин стали добавлять повышен ное количество ароматических углеводородов, таких как бензол, то луол. Это привело к резкому
увеличению фотохимического смога и накоплению
в атмосфере канце-
рогенных органических соединений. То есть решение одной экологи-
ческой проблемы породило другую (антропоэкологический парадокс).
По своему физиологическому воздействию на организм чело века
фотохимический смог крайне опасен для дыхательной и крове носной
системы. Он часто становится причиной преждевременной смерти го-
родских жителей с ослабленным здоровьем. Альдегиды фотохимиче-
ского смога
раздражают слизистую глаз, а в высоких концентрациях —
канцерогенны. Вместе с другими компонентами фо тохимического смога альдегиды приводят к увяданию растительно сти, болезням и гибели
животных, птиц и насекомых.
В настоящее время в приземной атмосфере находятся многие де-
сятки тысяч загрязняющих веществ ант ропогенного происхождения.
Ввиду продолжающегося роста промышленного и сельскохозяйствен-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]