Понятие токсичности и канцерогенности элементов и соединений

 

Показателями негативного воздействия элементов и соединений на живые организмы являются их токсичность и канцерогенность.

Токсичность и канцерогенность – это свойства элементов и соединений, отрицательно влияющие на живые организмы и приводящие к уменьшению продолжительности их жизни.

Количество, при котором химические ингредиенты становятся действительно опасными для окружающей среды, зависит не только от степени загрязнения ими гидросферы или атмосферы, но также от химических особенностей этих ингредиентов и от деталей их биохимического цикла. Для сравнения степени токсикологического воздействия химических ингредиентов на различные организмы пользуются понятием молярной токсичности, на которой основан ряд токсичности, отражающий увеличение молярного количества металла, необходимого для проявления эффекта токсичности при минимальной молярной величине, относящейся к металлу с наибольшей токсичностью [37] (табл. 3.7).

 

 

Глобальный перенос токсикантов происходит через атмосферу и большие реки, несущие воды в океаны. Земля, ложа рек, океаны служат как бы резервуаром для скопления токсикантов (табл. 3.8). Тот или иной предел, до которого атмосфера привносит токсикант (7) либо в землю, либо на поверхность океана сверх природного циклического уровня, может быть выражен с помощью фактора обогащения EF_A:

 

где J_T – средний поток (осадки) Е на землю или поверхность океана;

J_IT – средний поток (осадки) индексного Т (index toxicant IT) при условии его пренебрежимо малых антропогенных «отложений» в атмосфере. Обычно в качестве IT выбирают алюминий, кремний, титан и железо.

 

 

Антропогенный перенос токсикантов посредством рек может быть оценен по фактору обогащения EF_w:

 

EF_w = (T_FW/Al_FW)(Al_S/T_S),

 

где T_FW – средняя концентрация токсиканта в пресной воде;

T_S  – средняя концентрация токсиканта на поверхности почвы.

 

Факторами окружающей среды, влияющими на токсичность, являются температура, растворенный кислород, рН, жесткость и щелочность воды, присутствие хелатообразующих агентов и других загрязнителей в воде [46]. Уменьшение парциального давления кислорода и увеличение рН и жесткости воды приводят к понижению токсикологического воздействия веществ-загрязнителей на окружающую среду и живые организмы, обитающие в ней. Устойчивость живого организма по отношению к токсикантам может быть достигнута при: 1) уменьшении поступления токсиканта; 2) увеличении коэффициента выделения токсиканта; 3) переводе токсиканта в неактивную форму в результате его изоляции или осаждения. Например, синтез металлотионеинов обусловливается несколькими металлами, включая ртуть, кадмий, цинк, медь, серебро. Поэтому наличие одного из этих металлов может вызвать устойчивость к другому металлу из-за неспецифичности лигандов.

Факторы, влияющие на доступность токсикантов, усвоение, их воздействие на организм, могут быть совершенно разной природы:

      химические (химические свойства, окислительно-восстановительные потенциалы, частота воздействия);

      физические (освещенность, температура, турбулентность в растворах);

      биологические (размеры, стадии развития, упитанность, состояние здоровья, акклиматизация).

Канцерогенез – это способность металла проникать в клетку и реагировать с молекулой ДНК, приводя к хромосомным нарушениям клетки. Канцерогенными веществами являются никель, кобальт, хром, мышьяк, бериллий, кадмий. Различие в канцерогенной активности определяется биодоступностью металлопроизводных: наиболее потенциально активные соединения содержат канцерогенные ионы металла, способные легко внедряться в клетки и реагировать с молекулой ДНК [20]. Например, соли шестивалентного хрома СгO₄^2-потенциально более канцерогенны, чем соли трехвалентного хрома СгСl₃, поскольку первые легче проникают в клетки, а вторые – лишь ограниченно.

Канцерогенез зависит как от механизма поступления канцерогенных веществ в клетку, так и от их количества внутри клетки. Важным фактором в этом аспекте является общая цитотоксическая активность конкретного иона металла. Так, например, если ион металла также активен и цитотоксичен, как Hg²"¹", то гибель клетки будет предшествовать канцерогенному ответу.

Канцерогенные вещества могут быть разделены на три категории: 1) металлсодержащие частицы; 2) водорастворимые соединения металлов; 3) жирорастворимые соединения. Наибольшей проникающей способностью в клетку обладают водорастворимые соединения. Например, такой водорастворимый ион металла,         как      хромат-ион Сr04^2-,    способен        легко  проникать в клетки с  использоваением SO₄^2--транспортной системы. А никель в ионной форме не внедряется в клетки с легкостью и поэтому многие водорастворимые соли никеля не рассматриваются как потенциально канцерогенно опасные. Жирорастворимые соединения металлов, такие, например, как карбонил никеляNi(CO)₄, легко входят в клетку и поэтому очень токсичны.

На механизм канцерогенеза сильно влияет рН среды, температура, наличие в клетке аминокислот. При более кислых значениях рН наблюдается наибольшая растворимость канцерогенов в клетках. Присутствие в клетке аминокислот, хорошо связывающих металлы (таких, как цистеин, гистидин), сильно понижает способность канцерогенов, например, никеля, проникать в клетки. Температура среды является ярким индикатором канцерогенеза. Повышение ее приводит к ускорению процесса канцерогенеза.

Локализация канцерогенных ионов металлов в клетках приводит к хромосомным нарушениям, которые являются результатом сшивания молекул ДНК с белком и трансформации клетки. Такие канцерогенные металлы, как никель и хром, образуют очень стабильные тройные комплексы, состоящие из ДНК, металла и белка. Образовавшись, эти комплексы чрезвычайно устойчивы, они вовлекают в канцерогенез никель и хром, и перераспределение ионов металлов по мере образования этих комплексов становится менее вероятным.

Объекты экотоксикологических исследований чрезвычайно разнообразны. Это воды, почвы, фармацевтические препараты, биологические объекты животного происхождения, пищевые продукты и напитки, пестициды, средства бытовой химии, растительность, отходы и т.д. Поэтому комплекс прикладных задач, решаемых экотоксикологией, далеко не прост и весьма специфичен. Наиболее приоритетные из них:

1) создание современной методологии экотоксикологических исследований, позволяющей проводить достоверную оценку качества окружающей среды в условиях природопользования и комплексного влияния основных ее экологических составляющих на живые организмы;

2) осуществление ранней диагностики изменений в организме, выявляемых до наступления морфологических, генетических, популяционных и других изменений;

3) разработка прикладных основ химико-токсикологического анализа приоритетных загрязнителей, включающего разнообразные способы их обнаружения, изолирования и количественного определения в объектах окружающей среды;

4) создание целенаправленного мониторинга токсикантов, вызывающих те или иные отклонения в живых организмах, который позволит по-новому подойти к идентификации наиболее активно действующего фактора, так как специфичность биохимического ответа организма даст возможность проследить путь от следствия к причине, т. е. выйти на соответствующего токсического агента или на узкую группу агентов, выделяя их из общего массива веществ-загрязнителей .

Основная задача химико-токсикологического анализа – установление характера объекта, его консистенции и морфологического состава [45].

Чрезвычайно большое разнообразие объектов химико-токсикологического анализа обусловливает специфические его особенности, заключающиеся в изолировании (или извлечении из достаточно большого количества исследуемого образца ничтожно малых количеств токсиканта) и необходимости анализа в большинстве случаев не индивидуальных веществ, а многокомпонентных смесей, в которых каждый определяемый компонент может влиять на последующий. Стандартная схема выполнения химико-токсикологического анализа (рис. 3.1) включает методы выделения (или изолирования) и очистки токсикантов, а также методы их качественного обнаружения и количественного определения. Среди этих методов особенное внимание, как правило, уделяется методам выделения и очистки, поскольку анализируемые системы представляют собой достаточно сложные неоднородные и многокомпонентные смеси, анализ которых сопряжен с рядом трудностей, обусловленных селективностью определения, достоверностью и воспроизводимостью получаемых аналитических данных.

 

 

 

В зависимости от свойств и природы токсикантов для выделения веществ органического происхождения применяют различные способы изолирования: дистилляцией с водяным паром; подкисленным 96°- или 70°-ным этиловым спиртом (алкалоиды, ряд синтетических веществ, гликозиды); подкисленной водой (алкалоиды, синтетические лекарственные препараты и др.); подщелоченной водой (некоторые органические кислоты, фенол и его производные); различными органическими растворителями (остаточные количества пестицидов и др.).

Для изолирования веществ неорганической природы используются минерализация (соединения металлов и мышьяка), диализ (кислоты, щелочи, соли некоторых ядовитых кислот), озоление (фториды, кремнефтористые соединения).

Основными методами, применяемыми для очистки выделенных токсикантов, являются возгонка и перекристаллизация; экстракция и реэкстракция; различные виды хроматографии (газожидкостная, хроматография в тонком слое сорбента). Наиболее широко применяются последние из описанных вследствие дуализма характерных для них аналитических возможностей. Так, они позволяют не только определить и отделить исследуемые соединения от сопутствующих компонентов, но и качественно определить их структуры и количественное содержание. Например, газожидкостная хроматография широко применяется для анализа спиртов (этилового, метилового и др.), ацетальдегида, некоторых галогенопроизводных, а хроматография в тонком слое сорбента – для анализа барбитуратов, алкалоидов, различных лекарственных веществ, гликозидов, элементо-органических соединений.

Основные требования к методам качественного обнаружения – достаточно высокая чувствительность, характеризуемая низким пределом обнаружения, и специфичность. В ряде случаев на практике применяют весьма традиционные аналитические методы (гравиметрические и титриметрические), однако они не распространены широко из-за недостаточной чувствительности (диапазон определяемых содержаний токсикантов 0,1–1 г) при необходимости работы с достаточно большими объемами растворов (до 100 мл). Более чувствительными и экспрессными являются микрохимические методы, например, капельный анализ и микрокристаллоскопический анализ с элементами кристаллооптики, широко применяющиеся для анализа как органических, так и неорганических соединений, позволяющие определять токсиканты в диапазоне концентраций 0,001–0,01 г при анализе очень малых объемов анализируемых систем (от 0,01 до 0,1 мл).

Для обнаружения отдельных токсических соединений (хинина, стрихнина, никоглина, атропина и др.) применяются хроматографические, полярографические, люминесцентные и биологические методы.

Методы количественного определения токсикантов представлены арсеналом различных физических (нейтронно-активационный, рентгенофлуоресцентный, масс-спектрометрический) и физико-химических методов (атомно-абсорбционный анализ, атомно-эмиссионный метод с индуктивно связанной плазмой, хроматографические, электрохимические и спектрофотометрические методы с использованием органических реагентов различных классов). В последнее время активно применяются тест-методы на основе классических цветных реакций, позволяющие определять токсиканты на уровне экспресс-анализа с достаточно высокой точностью и селективностью. Перспективны в экотоксикологии комбинированные аналитические методы, сочетающие эффективные приемы концентрирования с разнообразными способами детектирования и химическими сенсорами.

  

Смог происходит от дымов и туманов. Согласно одному из последних международных экологических словарей, смог - это "туман, ставший более тяжелым и более темным благодаря городской копоти - дыму". В долине Мааса в 1930 г. образовавшийся смог держался около пяти суток. Все отходы производства, выбрасываемые в атмосферу, оказались растворенными в смоге, а в долине реки было расположено большое число промышленных предприятий, доменные печи, завод по изготовлению серной кислоты, цинкоплавильные заводы и т.д. От смога погибло около 100 человек и заболело несколько тысяч. В Лондоне в 1952 г. инверсионный туман привел к гибели 4000 человек, а в 1956 г. "туман-убийца" унес там еще несколько тысяч жизней. Мощный фотохимический смог наблюдался после второй мировой войны в Лос-Анжелесе. Он образовался в результате большого количества выхлопных газов от автомобилей и сопровождался образованием большого количества озона, а также других окислителей и токсичных веществ. По-видимому, ответственной за образование озона оказалась двуокись азота, которая образуется при сгорании топлива в автомобильных двигателях. Двуокись азота под влиянием облучения солнцем диссоциировала с образованием атомарного кислорода:

первая из которых приводила к образованию озона, а вторая обусловливала желто-зеленую окраску смога.

Литосферой называют верхнюю твердую оболочку Земли, состоящую из земной коры и слоя верхней мантии, подстилающего земную кору. Нижняя граница литосферы проводится над астеносферой, т.е. на глубинах около 100 км под континентами и около 50 км под дном океана. Литосфера - составная часть биосферы в целом, причем не вся, а только верхняя ее часть, определяющая нижний предел жизни в биосфере. Кроме того, литосфера является и составной частью геосфер Земли. Обширные комплексные научные исследования нашей планеты в последние десятилетия принесли много новых сведений о структуре, составе и истории развития Земли. Один из важнейших выводов этих исследований состоит в том, что Земля и все ее составные части (оболочки) - атмосфера, гидросфера, литосфера, мантия и ядро - в свою очередь стратифицированы. Другой важный вывод - тесная взаимосвязь, этих оболочек. Они находятся в постоянном взаимодействии, и всякое изменение состава, структуры, состояния каждой из геосфер Земли тотчас же в той или иной степени сказывается на составе, структуре и энергетическом состоянии смежных геосфер. Схема строения Земли без верхней атмосферы дана в табл. 6.1.

Таблица 6.1. Строение Земли (без верхней атмосферы)ГеосфераРасстояние нижней границы от поверхности Земли, кмОбъем 10¹⁸, м³Масса 10²¹, кгАтмосфера200013200,005Гидросферадо 111,41,4Земная кора5-7010,228Мантиядо 2900896,64013Ядро6371175,21934Атмосфера в целом простирается до высоты 20 км. Вся Земля без атмосферы имеет объем   и массу   кг. Сейсмические исследования свидетельствуют о том, что при землетрясениях возникают различные сейсмические волны, распространяющиеся в породах Земли с разными скоростями. Наиболее быстрые из них - первичные, или Р-волны, - распространяются подобно звуковым, с колебаниями, совпадающими с направлением распространения (продольные волны). Наиболее медленные сейсмические волны, так называемые S-волны, или вторичные, по характеру колебаний подобны световым. Они имеют колебания, перпендикулярные к направлению распространения. В 1926 г. югославский геолог А. Мохоровичич обнаружил резкое увеличение скоростей Р и S волн на глубине около 50 км. Эту границу раздела стали называть поверхностью Мохоровичича, или, сокращенно, Мохо. Оболочку твердой литосферы, лежащую выше поверхности Мохо, принято называть земной корой, а лежащую ниже мощную оболочку - мантией. Мощность коры под континентами, вероятно, значительно больше, нежели под океаном. Земная кора подразделяется на три подслоя: осадочный слой, "гранитный" и "базальтовый" (табл. 6.2).

Таблица 6.2. Подслои земной корыСлои земной корыГлубина нижней границы, кмОбъем 10¹⁸, м³Масса 10²¹, кмОсадочный2012,5Гранитный403,610Базальтовый605,616

Атмосфера - это мощная газовая оболочка Земли, характеризующаяся резко выраженной неоднородностью строения и состава. Ее масса составляет   т. Девять десятых, этой массы сосредоточено в самом нижнем слое толщиной в 17 км, хотя в целом признаки отчетливо фиксируются и на высоте 20 тыс. км от поверхности Земли.

Современную атмосферу, вероятно, следует рассматривать как изначальную, поскольку ее состояние отличается от первичного только ускользанием водорода и гелия, изменением молекулярного состава в результате фотосинтеза и заметным переходом углерода (главным образом в виде карбоната кальция) в земную кору.

До высоты 100 км атмосферу подразделяют на четыре оболочки: тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу. Мощность тропосферы оценивается величиной 8-10 км в полярных областях и 16-18 км у экватора. Эта часть атмосферы как наиболее плотная непосредственно граничит с поверхностью океана и суши, обусловливая тем самым определенный обмен веществ. Температура здесь поднимается с высотой до 6  на каждый километр. Верхняя граница тропосферы представлена слоем, обычно называемым "тропопаузой", температура в котором составляет  220 К. Стратосфера, расположенная над тропосферой, также подразделяется на две зоны: нижнюю, с температурой, характерной для тропопаузы, и достигающую высоты 25 км, и верхнюю, простирающуюся до высоты 50 км и. называемую областью инверсии. В этой области температура начинает возрастать и, достигая 273 К, остается неизменной вплоть до высоты 55 км. Эта узкая область постоянной температуры, называемаястратопаузой, является по существу верхней границей стратосферы. Очень важно отметить, что в стратосфере на высоте около 35 км расположен озонный защитный слой, определяющий верхний предел жизни в биосфере. Выше стратопаузы располагается мезосфера, достигающая, высоты 80 км от уровня моря, характеризующаяся мощностью 25 км. В мезосфере происходит понижение температуры с высотой. Верхней границей мезосферы является мезопауза, в зоне которой температура достигает  190 К. После мезопаузы, температура в атмосфере вновь возрастает. Эта область мощностью 90 км называется термосферой. В верхней части термосферы температура достигает 1000 К. Термосферу часто называют еще ионосферой. Внешней оболочкой атмосферы является экзосфера, которая начинается с высоты 1000 км и простирается на огромные расстояния, постепенно переходя в межпланетное пространство. Экзосфера является областью диссипацииатмосферных газов. Диссипация - это процесс преодоления атомами и ионами поля притяжения Земли. В результате диссипации не только Земля, но и другие планеты (Меркурий, Марс) должны был потерять то или иное количество атмосферных газов.

Явление диссипации связано с возрастанием разреженности атмосферы при увеличении высоты (рис. 3.1  ). Вследствие этого столкновения атомов становятся все реже, а величина свободного пробега значительно возрастает. Так, например, на высоте 100 км величина свободного пробега составляет 10 см, а на высоте 220 км достигает 870 м. Кинетическая энергия при таких столкновениях становится настолько большой, что температура в термосфере поднимается на сотни градусов. Если скорость атомов и ионов при соударении превышает 11 км/с, то атомы и ионы могут легко покинуть поле притяжения Земли. Ракеты, запущенные в 60-х гг. в сторону Луны, дали достаточно надежную информацию о том, что Земля в радиусе 20 тыс. км окружена ионизированным газом. По-видимому, это та область, в которой происходит обмен между земным и космическим газообразным веществом. Из кинетической теории газов следует, что температура газа теоретически определяется средней энергией движения составляющих его частиц:

где Т - абсолютная температура, m - средняя масса частиц,. v - их средняя скорость, Кв - константа Больцмана. По мере удаления от Земли средняя скорость частиц возрастает и для межзвездного газа достигает величин, которые соответствуют температурам порядка 10000 . Это, однако, не означает, что такую температуру показал бы термометр, помещенный в межзвездное пространство. Наоборот, он показал бы очень низкую температуру, близкую к -270 . Термометр регистрирует не энергию движения каждой отдельной частицы, а общую энергию, сообщаемую ему ударами окружающих частиц. Таких ударов за единицу времени, очевидно, тем больше, чем значительнее число молекул в единице объема газа. Каждый кубический сантиметр воздуха у поверхности Земли содержит   молекул. Между тем, кубический сантиметр межзвездного пространства содержит всего лишь несколько частиц. Именно поэтому межзвездное пространство одновременно и исключительно "холодно" и чрезвычайно "горячо".

Имеются основания утверждать, что "верхняя граница атмосферы" - это чисто условное понятие, поскольку на какой бы высоте мы ни брали эту границу, всегда можно будет сказать, что выше этой границы находится объем воздуха не меньший, чем ниже ее, так как плотность воздуха убывает с давлением. В этой связи имеет смысл обратиться к барометрической формуле, показывающей зависимость давления атмосферы (Р) от высоты (А), молекулярной массы газа (М), температуры (Т) и ускорения силы тяжести (g):

где P0 - давление атмосферы при h = 0, R - газовая постоянная. Из формулы следует не только неограниченность атмосферы, но и то, что ее состав не должен быть одинаков по высоте. Другими словами, газы в атмосфере должны распределяться в соответствии с их молекулярной массой (более тяжелые внизу, более легкие вверху). Исходя из этого, можно ожидать, что на высоте 100 км атмосфера будет состоять из 95,6% водорода, 3% азота, 1,3% гелия и 0,11% кислорода, а на высоте, превышающей 100 км, - исключительно из водорода. Между тем, в действительности, это совсем не так.

Изучение спектров северного сияния и собственного свечения ночного неба показало, что на высотах свыше 100 км всегда присутствуют линии и полосы, относящиеся к азоту и. кислороду, а поглощения водорода не удавалось обнаружить.

С этим согласуются и результаты прямого анализа, проводимого на различных высотах. Оказалось, что воздух в пределах ошибки опыта (0,1%) всегда один и тот же. Различия расчетных и экспериментальных данных в свое время объяснялись тем, что в состав воздуха входит какой-либо легкий неизвестный газ, называемый тогда (1910 г.) геокоронием. Зеленая линия с длиной волны  =5577 А, наблюдаемая в северных сияниях, приписывалась именно геокоронию. Однако позже выяснилось, что данная линия происходит из спектров атомов кислорода. В соответствии с полученными позже данными атмосферный азот и кислород на высотах, превышающих 50 км диссоциируют под действием солнечного излучения на атомы. Больше того, в самых высоких слоях атмосферы коротковолновое излучение Солнца вызывает даже ионизацию атомов, так что на этих высотах находится ионизированный газ, напоминающий плазму и обусловливающий распространение волн в атмосфере.

Таким образом, атмосфера - это как бы "живая" система газов, находящихся под переменным излучением солнца, проникающим на различные высоты и производящим различные действия над этими газами. Другими словами, атмосфера - это смесь молекулярных, диссоциированных и ионизированных газов, находящихся на различных высотах, между которыми происходят постоянные реакции, обусловливающие возникновение как более легких, так и тяжелых частиц. Все это приводит к "перемешиванию" атмосферы и соответственно к постоянству ее основного состава.

Рассматривая вопросы состава атмосферы, следует обратить внимание на следующие обстоятельства. Во-первых, наиболее полно на сегодня изучен нижний слой атмосферы - тропосфера. Во-вторых, совершенствование методов газового анализа может привести к обнаружению дополнительных, практически незаметных компонентов воздуха. Наконец, в-третьих, основные составные части атмосферы следует подразделять на три группы: постоянные, переменные и случайные. К первой группе относятся кислород (21% по объему), азот (около 78%) и инертные газы (около 1%). Содержание этих составных частей практически не зависит от того, в каком месте поверхности земного шара взята проба сухого воздуха. Ко второй группе относятся диоксид углерода (0,02-0,04%) и водяной пар (до 3%). К третьей группе относятся случайные компоненты, определенные местными условиями. Так, вблизи металлургических заводов воздух часто содержит диоксид серы; в местах, где происходит распад органических остатков, - аммиак и т.д. Следует подчеркнуть также, что в воздухе атмосферы наших дней содержится огромное количество многообразных техногенных примесей - твердых, жидких, газообразных. Состав сухого воздуха тропосферы приведен в табл. 3.1. Средняя молекулярная масса сухого воздуха, вытекающая из состава, равна 28,966. Масса кислорода в атмосфере составляет 

Таблица 3.1. Состав сухого воздуха тропосферыГазСодержание, об. %Молекулярная массаГазСодержание, об. %Молекулярная массаN78,0928,016Не5,24·10 в -44,003О20,9532,000Кr1,0· 10 в -183,800Аr0,9339,944Нr5,0·10 в -52,016СО20,0344,010Хе8,0·10 в -6131,300Ne1,8-Ю-320,183O31,0·10 в -648,000В результате сложного и постоянного взаимодействия тропосферы с гидросферой и литосферой она все время что-то теряет и что-то получает. Так, в производные пелагическими районами Атлантического и Тихого океана слои атмосферы поступают К, Cs, Rb, Cr, Zn, Cu, As, Sb, Hg.

Происхождение атмосферы неразрывно связано с образованием Земли. Однако на сегодня уже нет оснований принимать ранее выдвигавшееся предположение о том, что атмосфера, как и океан, постепенно появилась на поверхности Земли на протяжении геологической истории. Имеющиеся данные указывают на то, что океан и атмосфера существовали еще до того, как земля сформировалась в планету. На сегодня отдается предпочтение тому, что эволюция атмосферы происходила под .влиянием следующих факторов: 1) аккреции вещества межпланетного пространства; 2) выделения газов при вулканической деятельности; 3) химического взаимодействия газов атмосферы с компонентами гидросферы и литосферы; 4) диссоциации молекул воздуха под влиянием солнечного ультрафиолетового и космического излучения; 5) биогенных процессов в живом веществе биосферы; 6) антропогенной деятельности ноосферы. Имеется основание считать, что первичная атмосфера Земли была богата   и бедна  . Затем в результате фотодиссоциации воды в атмосфере появился кислород, количество которого начало особенно интенсивно расти в результате биогенных процессов с момента зарождения жизни на Земле ( 3 млрд лет назад). Около 500 млн лет назад количество кислорода в атмосфере было много больше, чем сейчас, но впоследствии в результате интенсивной вулканической деятельности снизилось до современного. Что же касается углекислого газа, то здесь картина обратная. Вначале содержание   в атмосфере на порядок превышало современный уровень, затем уменьшилось в такой степени, что 500 млн лет назад оно стало заметно ниже современного уровня и достигло его лишь значительно позже.

Представления об эволюции земной атмосферы наиболее полно согласуются с большинством геологических и биогеохимических данных, которыми располагает современная наука. И хотя многие детали этой эволюции остаются еще непознанными, сам факт длительного и сложного развития атмосферы, находящейся в многоплановом взаимодействии с литосферой, гидросферой и биосферой, остается неоспоримым.

Антропогенные факторы предопределяют существенные изменения в нормальном функционировании атмосферы, причем как в самых нижних, так и в высотных ее частях. Имеется множество различных источников антропогенного характера, вызывающих загрязнение атмосферы, а вместе с тем и серьезные нарушения экологических равновесий в биосфере. По своим масштабам заслуживают внимания, прежде всего, два таких источника, как транспорт и индустрия. В среднем на долю транспорта (например, в США) приходится 60% общего количества загрязнений, поступающих в атмосферу, промышленности - 17, энергетики - 14, на отопление и уничтожение отходов - 9%.

Если говорить о транспорте, и прежде всего автотранспорте, то примерное содержание основных компонентов выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания может быть представлено табл. 3.2.

Таблица 3.2. Содержание основных компонентов выхлопов двигателей внутреннего сгоранияКомпонентДвигательКомпонентДвигательбензиновыйдизельныйбензиновыйдизельныйОкись углерода0,5-12,0 об. %0,001-0,05 об.%Пары воды3,0-5,5 об. %0,5-4 об. %Водород0,1-5,0 об. %-Сажа0,0-0,04 г/м30,01-1,1 г/м3Кислород0,3-8,0 об. %2,0-18Альдегиды0,0-0,2 мг/л0,001-0,01 мг/лАзот74-77 об. %76-78 об. %Углеводороды0,2-3,0 об. %0,01-0,5 об. %Окислы азота в пересчете на NOx0,001-0,8 об. %0,0005-0,5 об. %Бензпирен10-20 г/м35-10 г/м3При работе двигателя на этилированном бензине в выхлопах появляются окислы азота, свинец и его соединения. Количество свинца в воздухе находится в прямой зависимости от интенсивности движения и может достигать 4-12  . При работе на серусодержащем топливе в выхлопах появляется также  . Как правило, содержание токсичных веществ в выхлопе бензиновых и дизельных двигателей превышает предельно допустимые концентрации в десятки и сотни раз.

Тысяча автомобилей с карбюраторным двигателем в день выбрасывает около 3 т СО, 100 кг NOx, 500 кг соединений неполного сгорания бензина. А ведь по статистическим данным, только в США на сегодня насчитывается 130 млн легковых автомобилей и автобусов и 39 млн грузовиков. Сколько автомобилей на планете будет в ближайшем будущем, пока не известно, но вполне ясно лишь одно: либо человечество сделает так, чтобы на Земле было меньше бензиновой гари, либо бензиновая гарь сделает так, чтобы людей было меньше на Земле. А ведь дело не только в автотранспорте.

Индустрия в целом вносит большой вклад в загрязнение атмосферы. Недавно проведенный у нас в СССР анализ состава промышленных выбросов и автотранспорта в 100 городах показал, что 85% общего выброса вредных веществ в атмосферу составляют сернистый газ, окись углерода, оксиды углерода и аэрозольная пыль. Половина остальных 15% специфических вредных веществ приходится на углеводороды, другая половина - на аммиак, сероводород, фенол, хлор, енолистые вещества, сероуглерод, фтористые соединения, серную кислоту.

Опасным элементом загрязнения атмосферы являются аэрозольные образования. Как известно, аэрозоли - это дисперсные системы, в которых дисперсионной средой служит газ, а дисперсными фазами являются твердые или жидкие частицы. Обычно размеры частиц аэрозолей ограничивают интервалом   см. Аэрозоли можно разделить на три большие группы. К первой относятся пыли - коллективы, состоящие из твердых частиц, диспергированных в газообразной среде. Ко второй группе относятся дымы. К дымам относят все аэрозоли, которые получаются при конденсации газа. Наконец, к третьей группе относят туманы. Туман - это коллектив жидких частиц в газообразной среде. В механизме образования аэрозолей существенную роль играют центры конденсаций, сублимации, кристаллизации, обычно называемые ядрами. Для возникновения устойчивого зародыша новой фазы, например, капли жидкости в газе необходима дополнительная энергия, связанная с возникновением поверхности. С точки зрения теории зародышеобразования молекулы пара, оседающие на инородной поверхности, выделяют энергию, которой вполне достаточно, чтобы перекрыть расходы на образование поверхности новой фазы. Ядрами могут быть: вулканическая пыль, продукты промышленных отходов, попадающих в атмосферу, частицы растений, бактерии и т. д. Надо сказать, что возможные источники ядер непрерывно растут. Так, подсчитано, что при уничтожении огнем травы на площади 0,4 га образуется в среднем около   ядер. При горении газа в течение 15 с количество ядер может составлять   на 1 

Мир аэрозолей - это "мир без постоянства". Отличительное свойство этих систем - их неустойчивость. Седиментация, испарения, конденсация, электромагнитные поля, броуновское движение - эти самые разнообразные физические факторы способны вызывать изменения в аэродисперсной системе. В свою очередь проявление каждого из этих факторов зависит от свойств самих аэрозолей. Выбросы взвешенных частиц в атмосферу начались с возникновением нашей планеты. Естественными источниками атмосферных аэрозолей служили и служат вулканы и гейзеры, разрушающиеся горные породы и пылевые бури, почвенная эрозия и лесные пожары. Природные выбросы аэрозолей всегда влияли на среду человеческого обитания. Однако, уравновешиваясь общим круговоротом веществ в природе, они не вызывали глубоких экологических изменений. Антропогенные же факторы, активная деятельность ноосферы приняли такой размах, что природные круговороты в конце концов не могут скомпенсировать перегрузки. Достаточно сказать, что сейчас в земной атмосфере взвешено около 20 млн т частиц, из которых примерно три четверти приходится на долю выбросов промышленных предприятий. В этой связи весьма показательна схема, приведенная на рис. 3.2  , из которой видно, какое широкое использование находят аэрозоли в современной деятельности человека. Основной параметр, характеризующий взвешенные частицы, - это их размер. Как отмечалось, он колеблется в широких пределах: от 0,001 до 1000 мкм. Для сравнения можно отметить, что средняя толщина человеческого волоса - 100 мкм, а частицы меньше 50 мкм невидимы невооруженным глазом. Кстати, наиболее опасными для наших легких являются частицы от 0,5 до 5 мкм; более крупные задерживаются в полости носа, более мелкие в дыхательных путях не оседают, и мы их выдыхаем. На аэрозольные частицы могут оказывать влияние самые различные силы: гравитационные, электрические, центробежные, звуковые, магнитные. Под действием внешних сил частицы перемещаются, как бы раздвигая на своем пути газовую среду. Ее сопротивление, эквивалентное силе трения и препятствующее движению частицы, определяется известным законом Стокса:

где F - сила трения, r - радиус частицы, v - ее скорость и   - вязкость среды.

Используя закон Стокса, можно определить скорость осаждения частиц под влиянием силы тяжести (седиментация). Расчеты показывают, что в спокойном воздухе скорость осаждения частиц размером 100 мкм составляет 25 см/с, 10 мкм - 0,3 см/с, а 1 мкм - всего 0,003 см/с. Это означает, что частицы размером 100 мкм при высоте источника выброса 10 м осядут за 40 с, а размером в 1 мкм - лишь за 93 ч. Результаты этого простого расчета показательны с двух точек зрения. Медленное оседание аэрозолей предопределяет изменение прозрачности воздуха со всеми вытекающими отсюда последствиями, и обратно: быстрое их оседание может отрицательно сказаться на зеленом покрове Земли.

Прозрачность - одна из важных характеристик атмосферы. Уменьшение прозрачности может существенно повлиять на климат и на эффективность фотосинтеза. В этом отношении достаточно указать на вулканическую деятельность как на естественный источник уменьшения прозрачности атмосферы. При мощных извержениях вулканов в атмосферу выбрасываются сотни миллионов тонн пепла. Тучи пепла скрывают землю от солнца на площади в тысячи квадратных километров. Кроме того, в верхние слои атмосферы попадает огромное количество сернистого газа, который, окисляясь под действием солнечных лучей и реагируя с водяным паром, образует аэрозоль серной кислоты. Все это увеличивает отражательную способность верхних слоев атмосферы или так называемое "альбедо" атмосферы. Не случайно повышенное количество вулканического пепла и сульфидов в геологических отложениях используется как свидетельство резкой интенсификации вулканической деятельности перед каждым новым оледенением. Правда, в историческое время извержения вулканов к новому оледенению пока не приводили, но на погоде в течение одного-трех лет сказывались весьма серьезно. "Годом без солнца" назвали люди 1816-й год, когда из-за морозов и снегопадов в середине лета погиб урожай в Европе и Северной Америке. В Индонезии этому предшествовал сильнейший вулкан, взрыв которого был слышен на удалении 2600 км, а наступившая тьма два дня держалась в радиусе 600 км. Отмечались и еще более мощные вулканы, после которых длительность солнечного сияния в течение 18 месяцев сокращалась до 4 часов в день. Рисунок 3.3   иллюстрирует изменения прозрачности воздуха и температуры воздуха в год главных извержений вулканов в период 1880-1970 гг.

Принято считать, что взаимодействие пыли и растений положительно сказывается на человеческой деятельности, так как растения являются своего рода фильтрами. Конечно, такую функцию растения выполняют успешно, если осаждающиеся на них аэрозоли не вызывают угнетения и гибели растительных клеток. Это возможно при недлительном пребывании пылевидных частиц на растениях, т.е. при периодическом сбрасывании их на землю. Наблюдения показывают, что под кронами деревьев на поверхность почвы оседает в 5-10 раз больше пыли, чем в открытой местности. Установлено, что к наиболее опасным для растений газам относятся сернистый газ, фтористый водород и озон. Эти газы, проникая в лист, вступают в реакцию с железом, входящим в состав хлоропластов, и практически вызывают распад хлорофилла и гибель растений. Очень опасны пыли окисей металлов (меди, цинка, олова) и металлоидов (особенно серы). При соприкосновении с влажной поверхностью листа пылинки окисей образуют кислоты, вызывающие гибель живой ткани. С действием дыма, как правило, связывают побурение, пожелтение, более быстрое увядание растений, их податливость к различного рода заболеваниям. Очень опасны также ядовитые аэрозоли, образующиеся при встрече, углеводородов и окислов азота. Чрезвычайно опасны также радиоактивные аэрозоли. Рассматривая вопросы, связанные с аэрозолями антропогенного происхождения, нельзя не упомянуть о смогах.

Смог происходит от дымов и туманов. Согласно одному из последних международных экологических словарей, смог - это "туман, ставший более тяжелым и более темным благодаря городской копоти - дыму". В долине Мааса в 1930 г. образовавшийся смог держался около пяти суток. Все отходы производства, выбрасываемые в атмосферу, оказались растворенными в смоге, а в долине реки было расположено большое число промышленных предприятий, доменные печи, завод по изготовлению серной кислоты, цинкоплавильные заводы и т.д. От смога погибло около 100 человек и заболело несколько тысяч. В Лондоне в 1952 г. инверсионный туман привел к гибели 4000 человек, а в 1956 г. "туман-убийца" унес там еще несколько тысяч жизней. Мощный фотохимический смог наблюдался после второй мировой войны в Лос-Анжелесе. Он образовался в результате большого количества выхлопных газов от автомобилей и сопровождался образованием большого количества озона, а также других окислителей и токсичных веществ. По-видимому, ответственной за образование озона оказалась двуокись азота, которая образуется при сгорании топлива в автомобильных двигателях. Двуокись азота под влиянием облучения солнцем диссоциировала с образованием атомарного кислорода:

первая из которых приводила к образованию озона, а вторая обусловливала желто-зеленую окраску смога.

К опасным факторам антропогенного характера, способствующим серьезному ухудшению качества атмосферы, следует отнести радиоактивность. Естественная радиоактивность атмосферы - это закономерное явление, обусловленное двумя причинами: наличием в атмосфере родона   и продуктов его распада, а также воздействием космических лучей. К продуктам распада   относятся   (названный тороном Th,  1/2 = 54 с) и   (названный октиноном,  1/2=3,9 с). Сам родон, полураспад которого равен 3,8 дня, а также его изотопы первоначально образуются в земной коре за счет радиоактивного распада урана и тория:

Образуясь в грунте, они затем через поры почвы проникают в приземный слой атмосферы, где их концентрация достигает   для Th и   для Rn. Торон ввиду малого своего периода полураспада концентрируется главным образом у земной поверхности, тогда как продукт его распада   ( 1/2=10 часов) обнаруживается в более высоких частях тропосферы. Что касается родона, то вследствие его захвата естественными аэрозолями он переносится в самые верхние плоскости тропосферы, а его долгоживущие продукты распада, такие, как  , обнаруживаются и в стратосфере. Атмосферный круговорот родона включает его легкую вымываемость осадками и осаждение на земную поверхность под действием силы тяжести. Космические лучи, проникающие на Землю из мирового пространства, обычно подразделяют на первичные и вторичные. В состав первичных космических лучей входят главным образом положительно заряженные частицы (преимущественно протоны). Они обладают огромными энергиями и несутся в мировом пространстве с колоссальными скоростями. Проникая в земную атмосферу, первичные лучи уже на высоте около 50 км начинают взаимодействовать с ядрами встречных атомов, что ведет к образованию элементарных частиц, называемых пионами (П). Масса пионов- порядка 0,15 а.е.м., заряд их может быть и отрицательным, и положительным, и нейтральным, время жизни -   с. В слое атмосферы от 50 до 20 км почти все первичные космические лучи расходуют свою энергию, которая передается вызванному ими вторичному космическому излучению. Последнее слагается в основном из мюонов ( ), представляющих собой частицы с массами порядка 0,11 а.е.м., несущие положительный или отрицательный заряд и живущие не более   с, а также электронов, позитронов и  -лучей. Вторичные космические лучи, доходящие до поверхности Земли, подразделяются на "мягкие" и "жесткие", первые из которых поглощаются толщей свинца и состоят в основном из электронов и позитронов, (а вторые - это мюоны, обладающие большой проникающей способностью.

Возникновение радиоизотопов объясняется тем, что космические лучи, проникающие в атмосферу со скоростями, близкими к скорости света, сталкиваются с ядрами компонентов воздуха, движущихся со сравнительно небольшими скоростями (порядка 0,5-1 км/с), вызывают ядерные реакции превращения одного вещества в другое. Главными радиационными частицами, обусловливающими радиоактивный фон атмосферы под влиянием космических лучей, являются тритий   и радиоуглерод  . Образование трития происходит за счет взаимодействия атмосферного азота с нейтронами  :

Имеются, однако, и другие пути образования трития, в частности за счет взаимодействия атмосферного азота с протонами высоких энергий и атмосферного кислорода и нуклонами. В свою очередь, распад трития приводит к образованию гелия:

Общее количество трития на земном шаре оценивается величиной 12 кг. Образование радиоуглерода   вызвано таким взаимодействием атмосферного азота с нейтронами, в процессе которого возникает неустойчивый радиоактивный азот  , генерирующий   и протон  :

Характерно при этом, что распад   вновь приводит к образованию стабильного азота:

предопределяя тем самым обратимость процесса. По имеющимся данным, равновесная концентрация радиоуглерода   на земном шаре оценивается на сегодня величиной 8 x  кг. Обращает на себя внимание, что содержание трития и радиоуглерода в стратосфере значительно больше, чем в тропосфере. Это говорит о том, что указанные радиоизотопы возникают именно под действием космических лучей. Кроме того, образование и концентрация в атмосфере указанных изотопов имеют минимум у экватора и растут по направлению к магнитным полюсам Земли, подобно тому, как это отмечается и для распределения космических лучей. Это также служит подтверждением того, что радиоизотопы водорода и углерода возникают в атмосфере под действием космических лучей. Их влияние обусловливает появление и других радиоизотопов, вносящих свой: вклад в радиоактивный фон атмосферы. Так, под действием космических лучей на атмосферный аргон образуется радиоизотоп хлора  :

где v - элементарная частица, называемая нейтрино, а также изотоп самого аргона:

Некоторые радиоизотопы, образующиеся в атмосфере под действием космических лучей, приведены в табл. 3.3.

Таблица 3.3. Радиоизотопы, образующиеся в атмосфере под воздействием космических лучейРадиоизотопПериод полураспадаТип излученияКонечный продуктТритий  12,7 летэлектроныгелийУглерод  5568 летэлектроныазотНатрий  2,6 летпозитроны, гамма-лучинеонХлор  55 минэлектроны, гамма-лучиаргонАргон  110 минэлектроны, гамма-лучикалийНаличие в атмосфере рассмотренных выше радиоизотопов обусловлено в целом так называемой "естественной" радиоактивностью, к которой живые элементы биосферы хорошо адаптировались в процессе эволюции. Что касается антропогенных факторов, связанных с радиоактивностью и опасных по своим последствиям, то они связаны главным образом с "искусственной" радиоактивностью. При ядерных взрывах большая часть изотопов образуется в результате деления урана-235, урана-238 и плутония-239. Известно, что через несколько десятков секунд после взрыва образуется примерно 100 различных изотопов, двадцать девять из которых вносят наибольший вклад в радиоактивность атмосферы через час, двадцать - через двое суток, а три - через 100 лет. Основные радиоактивные изотопы, встречающиеся в атмосфере в результате ядерных взрывов, приведены в табл. 3.4.

Таблица 3.4. Основные радиоактивные изотопы, обнаруживаемые в атмосфере после ядерного взрываИзотоп  1/2Изотоп1 1/2 51 день 28,8 лет 27,7 лет 12,8 дня 65 дней 285 дней 8 дней  Особую потенциальную опасность для человека и животных представляет  , не только как долгоживущий элемент, но и как аналог кальция, способный заменять его в кости живых организмов со всеми вытекающими отсюда последствиями. Во время ядерных взрывов радиоактивные вещества (равно как и неактивные) находятся в газообразном состоянии и по мере понижения температуры конденсируются в аэрозольное облако. Наиболее крупные" частицы, радиусом 20 мкм, достаточно быстро выпадают из атмосферы и оседают на земной поверхности. Мелкие же частицы, радиусом от 1 до 10 мкм, попадают не только в верхние плоскости тропосферы, но и в стратосферу, обусловливая так называемое "глобальное" выпадение осадков в пределах всего полушария, а иногда и в обоих полушариях. Следует отметить, что время пребывания искусственных радиоизотопов в нижней части тропосферы составляет в среднем несколько суток, а в верхней - 20-40 сут. Что касается частиц, попавших в нижние плоскости стратосферы, то они могут там находиться до года, а иногда и больше. Совершенно очевидно, что ядерная война со всеми чудовищными ее последствиями является безумием. Но если оставить в стороне военные аспекты, то следует отметить и другие источники попадания радиоактивных изотопов в атмосферу. Радиоизотопы так или иначе попадают в атмосферу и при работе реакторов промышленных предприятий, производящих ядерное топливо, а также в результате аварий на атомных электростанциях. Трагедия в Чернобыле является не только подтверждением этого, но и предупреждением. "Атомная кухня" имеет свои отходы, многие из которых по существу вечны. В связи с этим очень важной является проблема захоронения отходов ядерной энергетики. Она решается по-разному, например "захоронением" в могильниках под землей или на дне океана. Однако всегда требуется тщательно обеспечить невозможность последующего, выхода этих отходов в зону жизни.

Экологические факторы. На состояние окружающей среды и на живые организмы оказывают сильное влияние различные экологические факторы [27]. Экологический фактор – любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное воздействие на живые организмы. Экологические факторы делятся на три категории: 1) абиотические – факторы неживой природы; 2) биотические – факторы живой природы; 3) антропогенные – факторы человеческой деятельности.

Приспособительные реакции организмов к тем или иным факторам среды определяются периодичностью их воздействия. К первичным периодическим факторам относятся явления, связанные с вращением Земли, – смена времен года, суточная смена освещенности и т.д. Эти факторы действовали еще до появления жизни на Земле, и возникающие живые организмы должны были сразу адаптироваться к ним. Вторичные периодические факторы – следствия первичных, это влажность, температура, осадки и т.д. К непериодическим факторам относятся стихийные явления, а также факторы, имеющие техногенную природу.

Абиотические факторы наземной среды:

1. Свет. Поступающая от Солнца лучистая энергия распределяется по спектрам следующим образом. На видимую часть спектра с длиной волны 400-750 нм приходится 48% солнечной радиации. Наиболее важную роль для фотосинтеза играют оранжево-красные лучи, на которые приходится 45% солнечной радиации. Инфракрасные лучи с длиной волны более 750 нм не воспринимаются многими животными и растениями, но являются необходимыми источниками тепловой энергии. На ультрафиолетовую часть спектра – менее 400 нм – приходится 7% солнечной энергии.

2. Ионизирующее излучение – это излучение с очень высокой энергией, способное выбивать электроны из атомов и присоединять их к другим атомам с образованием пар положительных и отрицательных ионов. Источник ионизирующего излучения - радиоактивные вещества и космические лучи. Доза излучения (1 рад) – это такая доза излучения, при которой на 1 г ткани поглощается 100 эрг энергии. Единица дозы излучения, которую получает человек, называется бэр (биологический эквивалент рентгена); 1 бэр равен 0,01 Дж/кг.

В течение года человек в среднем получает дозу 0,1 бэр и, следовательно, за всю жизнь (в среднем 70 лет) 7 бэр.

3. Влажность атмосферного воздуха – параметр, характеризующий процесс насыщения его водяными парами. Разность между максимальным (предельным) насыщением и данным насыщением называется дефицитом влажности. Чем выше дефицит, тем суше и теплее, и наоборот. Растения пустынь приспосабливаются к экономному расходованию влаги. Они имеют длинные корни и уменьшенную поверхность листьев. Пустынные животные способны к быстрому и продолжительному бегу для длинных маршрутов на водопой. Внутренним источником воды у них служит жир, при окислении 100 г которого образуется 100 г воды.

4. Осадки являются результатом конденсации водяных паров. Они играют важную роль в круговороте воды на Земле. В зависимости от характера их выпадения выделяют гумидные (влажные) и аридные (засушливые) зоны.

5. Газовый состав атмосферы. Важнейшим биогенным элементом атмосферы, который участвует в образовании белков в организме, является азот. Кислород, поступающий в атмосферу в основном от зеленых растений, обеспечивает дыхание. Углекислый газ является естественным демпфером солнечного и ответного земного излучений. Озон выполняет экранирующую роль по отношению к ультрафиолетовой части солнечного спектра.

6. Температура на поверхности Земли определяется температурным режимом атмосферы и тесно связана с солнечным излучением. Для большинства наземных животных и растений температурный оптимум колеблется от 15 до 30°С. Некоторые моллюски живут в горячих источниках при температуре до 53°С, а некоторые сине-зеленые водоросли и бактерии – до 70–90°С. Глубокое охлаждение вызывает у насекомых, некоторых рыб и пресмыкающихся полную остановку жизни – анабиоз. Так, зимой карась вмерзает в ил, а весной оттаивает и продолжает обычную жизнедеятельность. У животных с постоянной температурой тела, у птиц и млекопитающих состояние анабиоза не наступает. У птиц в холодные времена отрастает пух, у млекопитающих – густой подшерсток. Животные, у которых зимой корма недостаточно, впадают в спячку (летучие мыши, суслики, барсуки, медведи).

Абиотические факторы водной среды:

На долю Мирового океана приходится 71% земной поверхности. Водная среда отличается от наземной плотностью и вязкостью. Плотность воды в 800 раз, а вязкость в 55 раз больше плотности воздуха. Наряду с этим важнейшими особенностями водной среды являются: подвижность, температурная стратификация, прозрачность и соленость, от которых зависит фотосинтез бактерий и фитопланктона и своеобразие среды обитания гидробионтов.

Биотические факторы окружающей среды:

Под биотическими факторами понимают совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие.

Антропогенные факторы окружающей среды.

Антропогенные факторы окружающей среды обязаны своим происхождением комплексной техногенной деятельности человека на Земле, включающей его бытовую сферу (сжигание мусора и отходов, строительство и т.д.) и производственную деятельность (все отрасли промышленной индустрии, сельское хозяйство, нефте-, газо- и горнодобывающие отрасли и т.д.).

Лимитирующие факторы: законы минимума и толерантности:

В 1840 г. Ю. Либихом был сформулирован закон минимума, согласно которому развитие растений лимитируется не теми элементами питания, которые присутствуют в почве в изобилии, а теми, которых очень мало (например, цинк или бор). Закон минимума справедлив и для животных, и для человека. Здоровье человека определяется в том числе и специфическими веществами, которые присутствуют в организме в ничтожных количествах (витамины, микроэлементы).

Любому живому организму или сообществу организмов необходимы не вообще температура, влажность, пища и т.д., а их определенный режим, т. е. границы допустимых колебаний этих факторов. Диапазон между экологическим минимумом и экологическим максимумом составляет пределы устойчивости, т. е. толерантности данного организма – этот закон толерантности был сформулирован в 1910 г. В. Шелфордом.

Ценность концепции лимитирующих факторов в том, что она дает возможность исследования самых сложных экологических ситуаций. Если для организма характерен широкий диапазон толерантности к фактору, который присутствует в среде в умеренных количествах, то такой фактор не может быть лимитирующим. Напротив, если организм обладает узким диапазоном толерантности к какому-нибудь изменчивому фактору, то этот фактор заслуживает изучения, так как может Концепция пороговости предполагает высокое качество среды и полную безопасность для человека и любых популяций при условии загрязнения этой среды ниже определенного уровня, воздействие которого на любые организмы меньше некоторого порогового значения.

Загрязнение окружающей среды – это процесс привнесения в среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных для нее физических, химических, биологических агентов, оказывающих негативное воздействие. Существуют три этапа загрязнений: физическое (солнечная радиация, электромагнитное излучение и т.д.), химическое (аэрозоли, тяжелые металлы и т.д.), биологическое (бактериологическое, микробиологическое). Каждый тип загрязнения имеет характерный и специфичный для него источник загрязнения – природный или хозяйственный объект, являющийся началом поступления вещества-загрязнителя в окружающую среду. Различают природные и антропогенные источники загрязнения.

Основные природные источники поступления токсикантов в окружающую среду – ветровая пыль, лесные пожары, вулканический материал, растительность, морские соли.

Антропогенные источники – это первичное и вторичное производство цветных металлов, стали, чугуна, железа; добыча полезных ископаемых; автомобильный транспорт; химическая промышленность; производство меди, фосфатных удобрений; процессы сжигания угля, нефти, газа, древесины, отходов и др. Антропогенный поток поступления токсикантов в окружающую среду превалирует над естественным (50–80%) и лишь в некоторых случаях сопоставим с ним.

В качестве критериев количественной оценки уровня загрязнения окружающей среды могут быть использованы индекс загрязнения, предельно допустимая, фоновая и токсическая концентрации.

Индекс загрязнения (ИЗ) – показатель, качественно и количественно отражающий присутствие в окружающей среде вещества-загрязнителя и степень его воздействия на живые организмы.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) – количество вредного вещества в окружающей среде, которое при постоянном контакте или при воздействии за определенный промежуток времени практически не влияет на здоровье человека. Предельно допустимые концентрации веществ, загрязняющих биосферу, вводились как нормирующие показатели во многих странах, в том числе и в нашей стране. Они устанавливались в приземной атмосфере, водах, почвах, растениях, продуктах питания (табл. 3.1–3.4).

Существующая система ПДК недостаточно достоверно информативна, поскольку предусматривает определение индивидуального токсиканта, дистанцируясь от вопроса о комплексном воздействии различных загрязнителей. Между тем совместное действие, например, органокомплексов тяжелых металлов кардинально меняет ПДК, экспериментально полученные для отдельного тяжелого металла.

Фоновая концентрация – содержание вещества в объекте окружающей среды, определяемое суммой глобальных и региональных естественных и антропогенных вкладов в результате дальнего или трансграничного переноса.

Под токсической концентрацией понимают либо концентрацию вредного вещества, которое способно при различной длительности воздействия вызывать гибель живых организмов, либо концентрацию вредного начала, вызывающую гибель живых организмов в течение 30 суток в результате воздействия на них вредных веществ [11].

Говоря о токсической концентрации как о своеобразном индикаторе токсичности природно-антропогенных экосистем, нельзя не коснуться и таких важных понятий в экотоксикологии, как вредное вещество или токсикант – загрязнитель, метаболизм, канцерогенез, токсичность как результат избытка необходимых веществ и соединений, биогеохимические свойства токсикантов и их химически активные миграционные формы в окружающей природной среде.