экологическая токсикология. Н. В. Иваненко экологическая
 Скачать 1.45 Mb.
|
|
Тема 3. ИСТОЧНИКИ ПОЯВЛЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНО ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ К числу природных источников биодоступных ксенобиотиков, по данным ВОЗ (1992), относятся: переносимые ветром частицы пыли, аэ- розоль морской соли, вулканическая деятельность, лесные пожары, био- генные частицы, летучие биогенные вещества. Основные потоки потенциально токсичных веществ возникают в результате различной хозяйственной деятельности человека. Источни- ками химического загрязнения биосферы стали практически все про- мышленные предприятия, транспорт, все более или менее крупные на- селенные пункты, зоны отдыха (рекреации), крупные животноводческие комплексы, территории, занятые пахотными землями (табл. 6). Подав- ляющая часть отходов образуется в городах, где проживает большая часть населения земли и сконцентрирована основная масса различных производств. Антропогенные потоки вещества, образующиеся в ходе производственной деятельности городского населения, чрезвычайно многообразны (рис. 5), содержат высокие концентрации высокого круга химических элементов, в том числе и токсичных. Включаясь в природные циклы миграции, антропогенные потоки приводят к быстрому распространению загрязняющих веществ в ком- понентах городского ландшафта, где неизбежно их взаимодействие с человеком. Существенное влияние на процесс загрязнения среды оказывают военные действия. В результате второй мировой войны на полях сраже- ний были складированы тысячи тонн металлов. В результате сравни- тельно маломасштабной военной операции НАТО в Югославии в 1999 г. потребление таких токсичных элементов, как свинец (Pb), кад- мий (Cd), мышьяк (As) и ртуть (Hg), повысилось в результате загрязне- ния воздуха, воды и почв в Сербии, а также из-за неадекватного качест- ва импортируемых или полученных через гуманитарные цели пищевых продуктов. По оценке Госкомэкологии РФ суммарный эффект воздействия вооруженных сил на окружающую среду в мирное время сопоставим с влиянием одной из отраслей промышленности среднего масштаба (око- ло 4% общего сброса сточных вод и 1,2% выбросов в атмосферу). По мнению Управления экологии и специальных средств защиты Минобо- роны РФ, реальные выбросы и сбросы от военных объектов соизмеримы с малыми и средними предприятиями. 47 Таблица 6 Общий характер источников загрязнения и их связь с различными видами антропогенной деятельности (По: Д.С. Орлов и др., 2002) Вид деятельности Общий тип загрязнения Объекты загрязнения Тип источника Режим внесения загрязнения 1 2 3 4 5 Добыча полезных ис- копаемых Резко преобладает минеральный в виде стоков (шахтные и рудничные воды, стоки обогатитель- ных процессов) и твердых отходов (шламы, пород- ные отвалы) Почва, вода Точечный Постоянный Добыча жидких горю- чих полезных ископае- мых Преобладает органический в виде стоков (утечка нефти) и выбросов (утечка газообразных углеводо- родов), в меньшей степени минеральный в виде стоков минерализированных нефтяных вод Почва, вода, воздух « Постоянный и спонтанный (ката- строфические раз- ливы) Производство энергии Преобладает минеральный в виде выбросов (газо- образные продукты сгорания и зола) и в меньшей степени – твердых отходов (золошлаковые храни- лища), стоков (охлаждающие воды) Воздух, вода, почва « Постоянный Промышленное производство Равноценно минеральный и органический, часто смешанный в виде твердых отходов (шлаки, осадки очистных сооружений, пыль, бракованная продук- ция, остатки сырья после использования полезных компонентов и т. д.), жидких отходов (отработан- ные растворы особо опасных токсичных веществ), выбросов (паропылегазовые централизованные выбросы горючих и токсичных производств, воз- душно-пылевые неорганизованные выбросы мест- ной вентиляции производственных помещений), стоков (промывные жидкости, отработанные рас- творы, условно-чистые воды после очистных со- оружений) Воздух, вода, почва Точечный для каждого объекта; площадной для крупных про- мышленных зон с дальними выбро- сами и стоком в водоток регио- нального значе- ния Спонтанный или цикличный для от- дельных предпри- ятий, постоянный для промышленных зон 48 Окончание табл. 6 1 2 3 4 5 Коммунальное хозяйство Равноценно минеральный или органический в виде стоков (бытовая канализация, обычно принимающая значительную долю про- мышленных и ливневых вод) и твердых отходов (бытовой и строительный мусор), в меньшей степени – выбросов (открытое и промышленное сжигание мусора) Воздух, вода, почва Точечный Постоянный Транспорт Преобладает минеральный в виде выброса (газообразные продукты сгорания с приме- сью аэрозольных частиц), в меньшей степе- ни органический в виде стоков (промывоч- ные воды с углеводородами) Воздух, в меньшей степени почва Линейный Цикличный Земледелие Преобладает минеральный (удобрения), в меньшей степени органо-минеральный (ядохимикаты) Почва, растения Площадной Цикличный Животноводство Преобладает органический в виде стоков Вода, почва Точечный Постоянный Ошибка! 49 Рис. 5. Источники загрязнения окружающей среды, распространение загрязняющих веществ и последствия их воздействия (По: Ю.Е. Сает, 1990) 50 Среди техногенных изменений среды обитания организмов наи- большую тревогу вызывает ее загрязнение промышленными и бытовы- ми отходами. Наибольшую опасность представляют токсические веще- ства различной природы. Так, к началу 1990-х годов на территории Рос- сии было размещено около 70% токсичных промышленных отходов от их общего объема в СССР, в том числе все виды наиболее крупнотон- нажных отходов (отработанные формовочные смеси, отходы переработ- ки сланцев, нефтешламы, гальванические шламы, нефтеотходы и т.п.). При этом в России накопилось более 1,6 млрд т токсичных промышлен- ных отходов. Каждый год увеличивал эту цифру на 50 млн т, а исполь- зовалось из них только 20%. В настоящее время в мире производится около 80 тысяч видов химических продуктов общим объемом около 300 млн т в год. 51 Тема 4. ПРЕВРАЩЕНИЯ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ. ПОСТУПЛЕНИЕ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ В ОРГАНИЗМЫ. ВЛИЯНИЕ ФАКТОРОВ СРЕДЫ И СВОЙСТВ ОРГАНИЗМА НА СТЕПЕНЬ ТОКСИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА 1. Микроэлементы в экосистемах Загрязняющими биосферу веществами могут быть соединения практически всех элементов периодической системы Д.И. Менделеева. При изучении загрязнения минеральными веществами обычно ис- следуют отдельные химические элементы, а не их соединения. При этом в отношении микроэлементов с начала 60-х годов ХХ в. очень широко используется термин «тяжелые металлы», или «токсичные металлы», в англоязычной литературе эти металлы называются также «следовы- ми» (trace metals). Для них характерны высокая токсичность, мутаген- ный и канцерогенный эффекты. Термин «тяжелые металлы» принято использовать, когда речь идет об опасных уровнях концентрации металлов с атомной массой более 40. Термин «микроэлемент» строгого понятия не имеет. Под терми- ном «микроэлементы» понимают все химические элементы, содержание которых в живых организмах и природной среде не превышает 0,01%. Живые организмы эволюционировали в геохимической среде, их состав формировался и приспосабливался к химическому составу окру- жающей среды. В связи с этим В.В. Ковальский отмечает, что следует исключить выражение «токсический элемент» (в том числе и «токсич- ный металл»), а указывать дозу и форму соединения, в которых прояв- ляется токсичность элемента. Любой из микроэлементов при опреде- ленном уровне будет проявлять токсичность по отношению к живым организмам. По степени опасности химические элементы подразделяются на три класса (ГОСТ 17.4.1.02-83): 1. As, Cd, Hg, Se, Pb, Zn, F. 2. B, Co, Ni, Mo, Cu, Sb, Cr. 3. Ba, V, W, Mn, Sr. Все виды источников загрязнения (рассеиваемые пыли, твердые отходы, стоки) содержат широкую группу загрязняющих веществ поли- элементного состава. Сочетание химических элементов характеризует специфические индивидуальные особенности источников загрязнения. Загрязнение окружающей среды происходит в результате миграции загрязняющих веществ, генерируемых источниками загрязнения. 52 Геохимическая миграция – неразрывный комплекс процессов, приводящих к перераспределению химических элементов в природных телах. Основной геохимической мерой качества окружающей среды явля- ется содержание химических элементов: массовая доля химического элемента (мкг/г, мг/кг, г/т или %) либо объемная концентрация – масса химического элемента в единице объема (мкг/л, мг/л, г/м 3 ). Каждая миграционная природная система является одновременно транспортирующей и вмещающей средой. В результате геохимиче- ской миграции может происходить как рассеяние химических элемен- тов, так и их концентрирование. Процесс рассеяния химических элемен- тов обусловливается их разбавлением или осаждением из транспорти- рующих потоков. Процесс концентрации происходит в случаях, когда в силу тех или иных физических или химических причин скорость транс- портирующего потока в целом или скорость перемещения каких-либо составляющих частиц потока резко уменьшается. Такие участки явля- ются геохимическими барьерами. Вся система от источника поставки элементов до геохимического барьера может быть названа миграцион- ным потоком или цепью распространения загрязняющего вещества. Природные среды, накапливающие загрязняющие вещества (почвы, растительный покров, снеговой покров, донные отложения), являются депонирующими. Перемещение происходит в транспортирующих сре- дах в вводно-миграционных и воздушно-миграционных потоках, а так- же путем биологического поглощения элементов растительностью и далее по цепям питания живых организмов. Транспортирующие среды для живых организмов являются главными жизнеобеспечивающими природными средами. Распространение химических элементов в антро- погенезе может происходить и техническими средствами (автомобиль- ные и железнодорожные перевозки, авиатранспорт и т.д.). В процессе миграции происходит распределение химических эле- ментов между природными телами. Интенсивность миграции определяется скоростью обмена, пере- распределения химических элементов между компонентами природной среды. Она зависит от физических, физико-химических и биологиче- ских свойств природных систем. В конечном счете интенсивность ми- грации зависит от ландшафтно-геохимических условий, т.е. от специ- фики сочетания гидрометеорологических, литолого-геохимических и почвенно-ботанических характеристик конкретной территории. Чис- ленно интенсивность миграции может быть выражена в виде какого- либо индекса или коэффициента, т.е. относительного показателя, сопос- тавляющего содержание химических элементов или их объемную кон- центрацию в фиксированном наблюдении, массе или моменте, по отно- шению к такому же состоянию природного объекта, принимаемого за 53 базовый (исходное состояние – до начала геохимического преобразова- ния). Применительно к прикладным геохимическим исследованиям в качестве базового чаще всего принимается фоновое содержание. Фоно- вое содержание – среднее содержание химических элементов в при- родных телах по данным изучения их естественной вариации (статисти- ческих параметров распределения). Геохимический фон – понятие ме- стное, локальное – средняя величина природной вариации содержаний химических элементов. Коэффициенты концентрации, подсчитанные по отношению к геохимическому фону, называются коэффициентами аномальности (контрастности). Коэффициенты концентрации, под- считанные по отношению к среднему содержанию химического элемен- та в литосфере (кларку), в какой-либо геохимической системе (почве, горной породе, растительности и т.д.) или ее таксономической части (тип почвы, тип горной породы и т.д.), называются кларками концен- трации. В результате миграции химических элементов по природным транспортным каналам в окружающей среде образуются геохимические аномалии. Геохимическая аномалия – участок территории, в пределах кото- рого хотя бы в одном из слагающих его природных тел статистические параметры распределения химических элементов достоверно отличают- ся от геохимического фона. Появление геохимических аномалий всегда связано с теми или иными природными и неприродными источниками воздействия, не яв- ляющимися обязательным компонентом данного типа геологической структуры или ландшафта. В случае антропогенных источников воздей- ствия образуются антропогенные геохимические аномалии. Техногенные геохимические аномалии и зоны загрязнения – поня- тия, широко используемые в природоохранной литературе, не являются полными синонимами. Под зоной загрязнения обычно подразумевается часть геохимической аномалии, в пределах которой загрязняющие ве- щества достигают концентрации, оказывающей неблагоприятное влия- ние на живые организмы. Химические элементы в воздухе и воде мигрируют в виде двух ос- новных групп форм: растворенной и взвешенной. В водных потоках многие химические элементы мигрируют пре- имущественно во взвешенной форме. Поэтому при оценке загрязнения водных систем большое значение приобретает мутность воды. Общая концентрация химических элементов в растворенной форме в условиях загрязнения определяется прежде всего степенью, а также взаимодействием в системе «вода – биота – твердое вещество». Химические элементы, связанные со взвешенным веществом, могут присутствовать в виде геохимически подвижных форм (т.е. они могут 54 относительно легко трансформироваться при изменении условий сре- ды) – сорбированные, связанные с органическим веществом, гидрокси- ды железа и марганца, карбонаты; и в виде неподвижных форм – суль- фиды, силикаты, входящие в состав решеток неразложившихся обло- мочных и глинистых минералов (кристаллическая форма). В атмосферном воздухе элементы могут находиться в аэрозольной фазе (взвешенная в воздухе, дисперсная) и парогазовой фазе. На биосферных заповедниках, т.е. в эталонных фоновых условиях, большинство тяжелых металлов (Cd, Co, Cr, Cu, Zn, Pb, и Hg), а также Se, As, Br, Sb находятся в атмосфере, главным образом в парогазовой форме. В атмосферном воздухе жилых территорий крупного промышлен- ного города роль взвесей в составе атмосферы для большинства элемен- тов возрастает до 70–90%. Однако для ряда элементов парогазовая фаза, или, вернее, не улавливаемая фильтром субмикронная фракция, состав- ляет значительную часть содержания (As – 66%, Sb – 67%, Hg – 60%). При анализе особенностей образования техногенной аномалии за счет выпадений из атмосферы также очень важны представления о формах нахождения химических элементов и прежде всего о соотноше- нии растворенных и взвешенных форм. Практически для всех исследо- ванных химических элементов на относительно удаленных и сравни- тельно чистых территориях в выпадениях из атмосферы преобладают растворимые формы. Вблизи источников выбросов одновременно с уве- личением общей массы выпадающей пыли и степени концентрации в ней элементов резко уменьшается доля растворимых форм (кроме Cd). В ходе исследований выяснилось, что выпадениями фиксируется всего лишь 20–30% массы выбросов. Остальная часть выброса рассеи- вается, поступая в региональные и глобальные миграционные циклы, создавая «фоновое» загрязнение. Центр наиболее высоких выпадений приурочен к источнику выброса. Влияние процессов глобального переноса антропогенных загряз- няющих веществ привело к тому, что сейчас, в сущности, не удается собрать надежные данные о природном фоновом состоянии воздуха и выпадений, определяемом космогенным, вулканогенным и литогенным поступлением химических элементов. Морфология потоков рассеяния в урбанизированных зонах и осо- бенности распределения химических элементов и их ассоциаций опре- деляется, прежде всего, закономерностями пространственного распре- деления выпадений из атмосферы на земную поверхность. Имеется рад физико-математических моделей, описывающих про- цессы выпадения загрязняющих веществ. Основными параметрами мо- делей распространения являются мощность и высота источника, высота 55 слоя вымывания, скорость и направление воздушных потоков, гравита- ционные характеристики примесей, интенсивность осадков. Элементы, поступающие с выпадениями из атмосферы, концентри- руются в самой верхней части почв (0–20 см и 0–40 см). В результате техногенных выпадений и аккумулирования почвы начинают транс- формировать соединения тяжелых металлов, и в почвенных горизонтах возникают новые металлорганические соединения, которых не было до техногенного загрязнения. Локализация и интенсивность поступления техногенных потоков химических элементов обусловливает формирование техногенных гео- химических аномалий и биогеохимических провинций с различной сте- пенью экологической напряженности. Под действием техногенных выбросов происходит деградация пло- дородия почв. В поверхностных горизонтах почв в районах промыш- ленных узлов содержание микроэлементов, в том числе и тяжелых ме- таллов, увеличивается в десятки и сотни раз относительно фоновых концентраций, и загрязненные почвы сами становятся источником за- грязнения окружающей среды. В результате на таких промышленных территориях образуются техногенные биогеохимические микропровин- ции с аномально высоким содержанием микроэлементов, и в конечном счете сильно изменяются состав и свойства почвы вплоть до исчезнове- ния на их поверхности природной растительности. На таких почвах культурные растения настолько меняют свой химический состав, что становятся непригодными для употребления в пищу человека и в каче- стве фуража для животных. Химическое загрязнение почв тяжелыми металлами – наиболее опасный вид деградации почвенного покрова, поскольку самоочищаю- щая способность почв от тяжелых металлов минимальна, почвы прочно аккумулируют их, чему способствует органическое вещество. Тем са- мым почва становится одним из важнейших геохимических барьеров для большинства токсикантов на пути их миграции из атмосферы в грунтовые и поверхностные воды. Так как на большей части урбанизированных территорий антропоген- ное воздействие преобладает над естественными факторами почвообразо- вания, то в городах мы имеем специфические типы почв, характерной осо- бенностью которых является высокий уровень загрязнения. При макси- мальном проявлении процессов химического загрязнения почва полностью утрачивает способность к продуктивности и биологическому самоочище- нию, что ведет к нарушению ее экологических функций. |