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
51
условия для формирования селей и снежных лавин, способ ствуют увеличению поверхностного стока, меняют условия инфильт рации и движения флюидов в грунтах, нарушают почвенный биоценоз.
Мощным фактором воздействия на литосферу явились ядерные
подземные взрывы, в результате которых произошли значительные геодинамические изменения на больших территориях, сопровождавшиеся
повышением уровня грунтовых вод, учащением
выбросов грязевых
вулканов, падением нефтедобычи.
При оценке техногенного и антропогенного воздействия чело века
на литосферу используют такие понятия, как источник воздей ствия,
интенсивность воздействия, реакция геологической среды, область приложения воздействия, время приложения воздействия.
Под источником воздействия подразумевают любой
вид ин женерной или хозяйственной деятельности человека. Практиче-
ски все виды деятельности человека
сопровождаются загрязнением
по чвы. К основным источникам загрязнения почв относятся:
1. Жилые дома и бытовые предприятия. В числе загрязня ющих ве-
ществ преобладают бытовой мусор, пищевые отходы, фе калии, отходы
отопительных систем, больниц, столовых, гостиниц, магазинов и пр.
2. Промышленные предприятия. В газообразных, жидких и твердых
промышленных отходах присутствуют те или иные вещества
, которые
загрязняют и существенно изменяют химический состав почв. Промышленное загрязнение почв происходит в основном через атмос феру
путем осаждения на поверхность паров, аэрозолей, пыли или ра-
створенных веществ непосредственно или с атмосферными осадками.
3. Теплоэнергетика. Помимо образования массы шлаков при сжи-
гании каменного угля, с теплоэнергетикой связано выделение в атмо-
сферу сажи, несгоревших частиц оксидов серы и других веществ, ко-
торые со временем попадают в почву. Выделение в атмосферу ок сидов
серы способствует образованию кислых атмосферных осад ков, способствующих подкислению почв.
4. Сельское хозяйство. Основными загрязнителями почвы являют-
ся удобрения и ядохимикаты.
5. Транспорт. При работе двигателей внутреннего сгорания интен-
сивно выделяются
оксиды азота, свинец, углеводороды и дру гие веще-
ства, оседающие на поверхности почвы или поглощаемые растениями.
При эксплуатации автомобильных дорог в воздух по ступают значительные количества минеральной пыли, нефтепродук тов и солей тяжелых
металлов, которые оседают на прилегающие земли.
Основными загрязнителями почвы являются:
– пестициды;
– минеральные удобрения;
52
ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ
– отходы и отбросы производства;
– газодымовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу;
– нефть и нефтепродукты.
Все техногенные вещества, являющиеся загрязнителями по чвы,
объединяют в две группы.
1. Педохимически (pedos — почва) активные техногенные ве щества,
способные влиять на кислотно-основные и окислительно-восстановительные условия в почвах. К ним относятся минераль ные кислоты, ще
лочи, карбонаты, сероводород, метан.
2. Биохимически активные техногенные вещества, действующие
непосредственно на живые организмы. Это тяжелые металлы, радионуклиды, токсические микроэлементы, пестициды и др.
Воздействие химически активных веществ на организмы зависит
от их доступности растениям, подвижности в почвах, поэтому оценку
устойчивости почв к химическим загрязнителям следует проводить
в зависимости от их
подвижности в почвах.
Одной из форм химического загрязнения почв является акку муляция
в них тяжелых металлов и других токсичных элементов, поступающих
с промышленными и транспортными выбросами. Сре ди этих элементов
широко распространенными являются кобальт, мышьяк, цинк, никель,
медь, ванадий, марганец, ртуть, свинец, кад мий и некоторые другие.
Токсичные металлы, поступая в почву
, всту пают в различные химиче-
ские реакции, сорбируются органическим веществом, глинистыми ми-
нералами. Из почвы они поступают в грун товые воды и поглощаются
растениями, поэтому наблюдения за их содержанием должны прово-
диться повсеместно.
Одной из серьезных экологических проблем России является за-
грязнение почвы и литосферы в целом нефтью и нефтепродукта ми,
особенно
в нефтедобывающих регионах. К основным причинам такого
загрязнения следует отнести аварии на магистральных и внутрипро-
мысловых нефтепроводах, несовершенство технологии неф тедобычи,
аварийные и технологические выбросы и т. д. В результа те, например,
в отдельных районах Тюменской и Томской областей концентрации
нефтяных углеводородов в почвах превышают фоно вые значения в 150–
250 раз. На
Тюменском Севере площади оленьих пастбищ уменьшились
на 12,5 %. В Западной Сибири выявлено свыше 20 тыс. га территорий,
загрязненных нефтью с толщиной слоя не менее пяти сантиметров.
При добыче нефти и газа почвы подвергаются механическо му на-
рушению, загрязнению сырой нефтью и пластовыми водами, поступающими из скважин. В качестве загрязнителей выступают так же буровые
растворы, химические реагенты, применяемые в нефте добыче. При
разработке газовых месторождений газовые потоки меняют состав
-
ГЛАВА 1. ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИРОДНЫХ СРЕД ОБИТАНИЯ И ИХ ПОСЛЕДСТВИЯ
53
почвенного воздуха и стимулируют эмиссию газооб разных углеводородов в атмосферу. Загрязнение почв нефтью и неф тепродуктами приводит к ухудшению их физических свойств. При этом наблюдается
снижение биологической активности и создают ся условия для накопле-
ния в почве токсических, в том числе канце рогенных, соединений. Такие явления наблюдаются не только при
нефте- и газодобыче. Они наблюдаются и на территориях автозап равочных станций. Например,
в США до 70 % цистерн на автозап равках имеют течь.
В загрязнении почв существенную роль играет нерациональ ное
применение агрохимии, основоположником которой считается Юстус
фон Либих (12 мая 1803 — 18 апреля 1873). Учение Либиха открыло
путь широкому применению минеральных удобрений. В настоящее
время на
полях России бесполезно теряются около 20–60 % азотных,
70–80 % фосфорных, свыше 50 % калийных удобрений. Выносимые
с внутрипочвенным и поверхностным стоком нитраты загрязняют
природ ные воды, а снос фосфорных удобрений с полей является главной причиной загрязнения водоемов фосфатами, вызывая эвтрофикацию озер, рек, водохранилищ.
Интенсивность воздействия зависит от его источника. Она может
изменяться в
широких пределах от незначительной (в течение нескольких дней или даже часов) до глобальной, пронизывающей всю планету.
Примером глобальной ин тенсивности воздействия могут служить извержения вулканов, стол кновения с космическими телами, мощные ядерные взрывы, вызывающие колебания горных пород, несколько раз проходящие через всю Землю, отражаясь от её внутренних
границ.
Реакция геологической среды представляет собой процесс ее возвращения после техногенного воздействия в равновесное со стояние.
При относительно слабом воздействии нарушенная геоло гическая среда может восстановиться. Такое воздействие можно считать обратимым.
При значительных техногенных воздействиях формируется новый природно-техногенный необратимый геодина мический комплекс.
Область приложения техногенного или антро погенного воздействия
проявляется в том, что воздействие может быть оказано на один или
несколько элементов геодинамического комплекса на территории, охватывающей большее или меньшее ко личество его компонентов. Такие
воздействия могут быть прямыми, когда деятельность человека непо-
средственно направлена на тот или иной компонент литосферы, и кос-
венными, когда человек воздей ствует на
литосферу через другие ком-
поненты биосферы.
По масштабу воздействия могут иметь локальный, регио нальный
и глобальный уровни. Эта градация условна, так как вы деляемые уровни не имеют чётких границ.
54
ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ
Время приложения воздействия может быть кратковремен ным,
не превышающим нескольких лет, длительным, сопоставимым со временем жизни человека и сроком реального планирования тех или иных
социально-экономических программ, а также постоянным.
Кратковременные воздействия могут быть непериодическими, про-
являющимися единожды, и периодическими с различным време нем
повторяемости. Примером периодических воздействий служат регулярные испытания взрывных устройств, различные виды сезонных
работ, периодическое прохождение транспорта и тому подобное.
1.5. Основные результаты воздействия загрязнения
на биоту и качество природной среды
Техногенное загрязнение условно подразделяют на эвтрофирующее
и токсичное. Эвтрофирующее действие связано с поступлением в окру-
жающую среду биогенных элементов и органических веществ, входя-
щих в состав бытовых, промышленных и сельскохозяйственных стоков,
а также входящих в состав бытовых, промышленных и сельскохозяйственных отходов. В результате этого может происходить нарушение
экологического равновесия и
вторичное загрязнение метаболитами
(продуктами жизнедеятельности).
Результаты воздействия загрязняющих веществ на биоту и качество
окружающей среды, значимость воздействия определяются тремя ос-
новными факторами:
1. Химическая природа загрязняющих веществ, то есть насколько
они активны и вредны для определенного вида живых организмов.
2. Концентрация, то есть содержание вещества в единице объема
воздуха,
воды или почвы.
3. Устойчивость токсиканта, то есть продолжительность суще-
ствования в воздухе, воде и почве.
По объему загрязнения и по потенциальной биологической и эко-
логической опасности наибольшую важность представляют тяжелые
металлы, нефть и нефтепродукты, пестициды различной химической
природы, синтетические поверхностно-активные вещества, полихло-
рированные бифенилы, продукты и отходы различных химических
производств.
Загрязнение окружающей среды может иметь ряд нежелательных
последствий:
– неприятное и эстетически неприемлемое воздействие: неприят-
ный запах и вкус, уменьшение видимости в атмосфере, загрязнение поверхности зданий и памятников;
ГЛАВА 1. ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИРОДНЫХ СРЕД ОБИТАНИЯ И ИХ ПОСЛЕДСТВИЯ
55
– нанесение ущерба имуществу: коррозия металлов, химическое
и физическое разрушение материалов, использованных для возведения зданий и памятников, загрязнение одежды, зданий и памятников;
– нанесение ущерба растительности и животному миру: сниже-
ние продуктивности лесов и продовольственных культур, вредное
воздействие на здоровье животных, что приводит к их вымиранию;
для здоровья человека: распространение инфекционных за-
– вред
болеваний, раздражение и болезни дыхательных путей, изменения
на генетическом уровне, изменение репродуктивной функции,
раковые заболевания;
– нарушения систем жизнеобеспечения на локальном, региональ-
ном и глобальном уровнях: изменение климата и снижение есте-
ственной скорости круговорота веществ и поступления энергии,
необходимых для нормальной жизнедеятельности человека и
дру-
гих живых существ.
В результате антропогенного химического загрязнения восемью
главными биогенными элементами (О, С, Н, N, S, Р, Сl, F) и тяжелыми
металлами в биосфере произошли изменения, которые можно свести
к следующим основным проблемам:
– парниковый эффект и изменение климата в результате избыточ-
ного поступления в атмосферу диоксида углерода, метана и дру-
парниковых газов;
гих
– разрушение озонового слоя атмосферы фреонами и рядом других
веществ;
– кислотные дожди и фотохимический смог в связи с загрязнени-
ем атмосферы окислами серы, азота, галогенами и другими вредными веществами;
– эвтрофикация водоемов из-за поступления в них органики, фос-
фатов и нитратов, мочевины и аммиака;
гипоксия вод и сероводородное загрязнение морей;
–
– общее загрязнение вод и почв тяжелыми металлами, нефтепро-
дуктами, полициклическими углеводородами, фталатами, полихлорбифенилами и диоксинами, а также пестицидами и другими ядохимикатами;
– загрязнение питьевых вод фенолами, хлорфенолами, а также
хлор органическими соединениями при хлорировании воды в процессе водоподготовки;
– загрязнение продуктов
питания нитратами, тяжелыми металлами,
радионуклидами, пищевыми добавками (стабилизаторами, консервантами), веществами, попадающими в пищу из упаковки
56
ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ
(пластификаторы пластмасс, винилхлорид из пленок, нитраты
и нитриты из импрегнированного картона, фунгициды из бумаги,
свинец из глазурированной керамики и металлической тары) и соединениями, образующимися при кулинарных процессах (канце-
рогены и пероксирадикалы — при копчении и жарке, нитрозами-
ны и нитраты в мясных продуктах и т. д.);
– заражение пищи природными
токсинами — микотоксинами гриб-
ков, токсинами бактерий и растений;
– поражение и отравление людей в результате контакта с раз-
личными бытовыми предметами потребления (вредные вещества
в препаратах для чистки и стирки, лаках и красках, косметических
и гигиенических средствах) и строительно-отделочными матери-
алами;
– поражение и отравление людей и других живых существ
при
авариях на химических производствах, в т. ч. связанных с высоко-
токсичными веществами, включая объекты по хранению и унич-
тожению химического оружия.
Для изучения и оценки изменений материального состава окружа-
ющей среды после воздействия химических веществ обычно исполь-
зуется несколько параллельных направлений:
– сопоставление масштабов и характера изменений, связанных
чисто природными процессами, а также с антропогенной дея-
с
тельностью;
– выяснение временного масштаба изменений: быстрые (кратко-
срочные) или медленные (порядка геологических периодов), ко-
торые в зависимости от природного или антропогенного харак-
тера могут быть относительными (для естественных процессов
эволюции тысячелетние изменения можно рассматривать как
краткосрочные, в то время как десятилетние антропогенные
из-
менения — долгосрочные);
– пространственное распространение изменений содержания ве-
ществ — локальное, региональное, глобальное.
Содержание вредных веществ в отдельных случаях достигает в окру-
жающей среде таких концентраций, что оказывается вредным не толь-
ко для человека и других живых существ, но и для абиотических со-
ставляющих экосистем и объектов техносферы (приводит к
разрушению
природных ландшафтов и технических конструкций). Вредное воздей-
ствие химических продуктов, которыми могут быть элементы, неорга-
нические и органические вещества, в окружающей среде может иметь
острый и хронический характер, проявляясь после накопления этих
веществ или результатов их химических превращений, а также в ре-
зультате синергических процессов.
ГЛАВА 2. ТОКСИКОКИНЕТИКА, ПОВЕДЕНИЕ ТОКСИКАНТОВ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ
57
Возникают целые регионы, относимые к территориям и зонам чрезвычайной экологической ситуации или экологического бедствия, загрязненные ксенобиотиками до такой степени, что проживание в них
людей и существование других живых организмов становится проблематичным. Постепенно неблагоприятные локальные и региональные
экологические изменения перерастают в глобальные, порождая соответствующие проблемы, угрожающие не только
безопасности, но и са-
мому существованию жизни на Земле.
Для изучения и оценки изменений материального состава окружающей среды после воздействия химических веществ обычно используется несколько параллельных направлений:
– сопоставление масштабов и характера изменений, связанных
с чисто природными процессами, а также с антропогенной деятельностью;
– выяснение временного масштаба
изменений: быстрые (краткосрочные) или медленные (порядка геологических периодов), которые в зависимости от природного или антропогенного характера могут быть относительными (для естественных процессов
эволюции тысячелетние изменения можно рассматривать как
краткосрочные, в то время как десятилетние антропогенные изменения — долгосрочные).
Глава 2. Токсикокинетика, поведение токсикантов
в окружающей среде
2.1. Общие сведения
Большинство веществ, поступивших в окружающую среду, вовлека-
ется в цепь различных абиотических и биотических процессов. Качествен-
ные и количественные характеристики ксенобиотиков, источники поступления, распределение в абиотических и биотических элементах окружающей среды, превращение в окружающей среде, процессы биотрансформации в организме и выведение изучает токсикокинетика.
Основные характеристики токсикокинетики определяются как
ствами токсиканта, так и структурно-функциональными особенностями
организма. Важнейшими характеристиками токсиканта являются:
– агрегатное состояние;
– растворимость в воде и липидах;
– размер молекулы;
– константа диссоциации;
– химические свойства.
свой-
58
ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ
Биодоступность ксенобиотика во многом зависит от его агрегатно-
го состояния. Он может находиться в твердом, жидком и газообразном
состоянии. Это определяет пути поступления токсиканта в организм
(через органы дыхания, через поверхностные покровы, через желудочно-кишечный тракт).
На биодоступность токсиканта влияют структурно-функциональные
особенности организма, которые, в свою очередь, зависят
от соотноше-
ния воды и жира в клетках, тканях и органах. Например, мышечная
ткань содержит мало жира, а биологические мембраны, жировая ткань
и мозг — много. Большое значение имеет присутствие молекул-мишеней, активно связывающих токсикант. Например, в костной ткани имеются молекулярные мишени, активно связывающие кальций и другие
двухвалентные металлы (свинец
, стронций и т. д.).
Организм обладает барьерами, препятствующими проникновению
некоторых групп токсикантов. Такими барьерами являются:
– гематоэнцефалический барьер, препятствующий проникновению
крупных молекул и гидрофильных токсикантов в спинной мозг
и центральную нервную систему;
– плацентарный барьер, препятствующий проникновению крупных
молекул и гидрофильных токсикантов в плод из крови матери;
– гисто-гематологический
барьер в стенках капилляров.
Во время распределения и удерживания токсиканта в различных
органах происходят процессы биотрансформации. В ходе биотрансфор-
мации образуются метаболиты, которые легче выводятся из организма.
Проникновение токсиканта в живые организмы нарушает коорди-
нацию биологической системы, обратимо или необратимо нарушает
биохимические процессы, повреждая клетки. Проникновение токси-
канта из окружающей среды
внутрь организма происходит в три этапа:
1. Фаза воздействия охватывает все стороны взаимодействия различных
токсикантов, влияния на них факторов окружающей среды (температура,
влажность, фотохимические реакции и т. п.). На этом этапе могут происхо-
дить химические превращения токсикантов, деградация, биодеградация
микроорганизмами, вплоть до полного распада молекулы токсиканта.
2. Токсикокинетическая фаза, во время
которой происходит погло-
щение токсичных веществ, их распределение в биологической системе,
накопление в органах и тканях, биотрансформация и элиминация (выведение, удаление) метаболитов.
3. Токсикодинамическая фаза характеризуется взаимодействием
токсичных веществ с молекулярными системами на субклеточном и клеточном уровне, что провоцирует токсический эффект. Экотоксикодина-
мика рассматривает конкретные механизмы развития и формы
токси-
ческого процесса, вызванного действием экотоксикантов на биоценоз.
ГЛАВА 2. ТОКСИКОКИНЕТИКА, ПОВЕДЕНИЕ ТОКСИКАНТОВ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ
59
2.2. Физические преобразования токсикантов
Механическое перемешивание характерно для воздушной и водной
среды. Оно во многом определяет процессы самоочищения этих сред.
Процессы осаждения также преимущественно наблюдаются в воздушной и водной среде. Из атмосферы токсичные вещества в составе пыли
и аэрозолей оседают на почву и в поверхностные воды. Чем больше
масса пылинок или аэрозольных частиц, тем
быстрее идет процесс оседания. Из почвы токсиканты могут вновь поступать в атмосферу и перераспределяться в окружающей среде. Например, полициклические
ароматические углеводороды активно включаются в биосферный круговорот веществ, переходя из одной среды в другую. При этом, как
правило, они связаны с твердыми частицами атмосферной пыли. Мелкодисперсная пыль (1–10
мкм) длительно сохраняется в воздухе, а более
крупные пылевые частицы достаточно быстро оседают на почву и в воду
в месте образования. Легкие частицы распространяются на большие
расстояния, формируя экосферный и биосферный фон.
На процессы осаждения токсикантов в водной среде большое вли-
яние оказывают скорость течения воды, мутность, присутствие органи-
ческих веществ
.
Сорбция (от лат. sorbeo — поглощаю) — это процесс поглощения
твердым телом либо жидкостью (сорбентом) различных веществ (сорбатов) из окружающей среды. Если поглощение происходит только в поверхностном слое сорбента (поверхностная сорбция), то этот процесс
называется адсорбцией. Если наблюдается поглощение сорбата всем
объёмом сорбента (объёмная сорбция), то это называется абсорбцией.
По механизму
протекания процесса сорбция подразделяется на фи-
зическую и химическую.
При физической сорбции между сорбентом и сорбатом происходит
непрочное межмолекулярное взаимодействие, что со временем может
приводить к самопроизвольному процессу отдачи (десорбции) поглощённого вещества. При химической сорбции (хемосорбции) между
сорбентом и сорбатом возникает химическое взаимодействие, в ре-
зультате чего образуется третье вещество
. Химическая сорбция намного прочнее физической, поэтому десорбция самопроизвольно
не происходит.
На процессы сорбции большое влияние оказывает температура. При
повышении температуры физическая сорбция уменьшается, а химиче-
ская увеличивается. В чистом виде физическая и химическая сорбция
встречаются редко. Чаще всего сорбция включает оба этих процесса.
Процессы сорбции характерны для всех сред,
но наиболее активно
они протекают в воде и почве. В водной среде эффективность сорбции
60
ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ
зависит от наличия взвешенных веществ, гидробионтов и иловых дон-
ных отложений. Физическая сорбция токсичных веществ на частицах,
взвешенных в воде и оседающих на дно, сопровождается десорбцией.
В результате токсичные вещества могут перемещаться в другие экоси-
стемы и мигрировать по пищевым цепям.
В атмосферном воздухе токсиканты сорбируются на пылевых
частицах и аэрозолях
. Но в ходе атмосферного пере носа многие
из них могут переходить в водорастворимую форму. Например, тя-
желые металлы в присутствии кислот подвергаются выщелачиванию
из аэрозольных частиц и переходят в ионную форму. Об интенсивности выщелачивания свидетельствует тот факт, что в атмосфере
Антарктиды аэрозоли содержат металлы исключительно в водо-
растворимой форме.
Некоторые
вещества могут легко испаряться из воды и почвы, а затем перемещаться в другие регионы с током воздуха. Это явление лежит в основе повсеместного распространения относительно летучих
хлорорганических инсектицидов, таких как ДДТ, линдан и гексахлорбензол.
Физико-химическая сорбция и последующее осаждение резко сни-
жает биодоступность загрязнителя. Но достаточно
стойкие и легкора-
створимые вещества могут мигрировать в грунтовые воды и там нака-
пливаться. Перераспределению водорастворимых веществ способствуют дожди и движение грунтовых вод.
Фотолиз проходит в атмосфере, на поверхности почвы и воды. Свет,
особенно ультрафиолетовые лучи, способен разрушать химические
связи и тем самым вызывать деградацию химических веществ. Скорость
фотолиза зависит
от интенсивности света и способности вещества его
поглощать. Ненасыщенные ароматические соединения, например по-
лициклические ароматические углеводороды, наиболее чувствительны
к фотолизу, так как активно поглощают энергию света. Свет ускоряет
и другие процессы деградации веществ: гидролиз и окисление. В свою
очередь, наличие в средах фотооксидантов, таких как озон, окислы азота, формальдегид,
акролеин, органические перекиси, существенно уско-
ряет процесс фотолиза других токсикантов. При этом токсичность продуктов фотолиза иногда может быть выше, чем у исходного агента. Так,
в результате фотоокисления паратиона в среде может образовываться
параоксон, токсичность которого для млекопитающих в десятки раз
выше, чем у исходного вещества. Фотохимические превращения в окружающей
среде некоторых гербицидов могут привести к образованию
более опасных веществ.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]