Экологическая токсикология (экотоксикология)

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ (ЭКОТОКСИКОЛОГИЯ)

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время значительная часть человечества в той или иной мере подвержена действию различных химикатов. Стремление лучше понять связи между свойствами химикатов и их воздействием как на человека, так и на экосистемы и привело к возникновению новой междисциплинарной отрасли науки об окружающей среде - химической экотоксикологии [1-3].

В самостоятельную науку химическая экотоксикология выделилась в конце 60-х годов. Три дисциплины - химия, экология (наука о взаимоотношениях, которые определяют распространение и соотношения живых существ) и токсикология (учение о токсичности) - были объединены в единую научную дисциплину. На самом деле, эта область знаний включает в себя помимо указанных элементы и других наук, таких, как биохимия, физиология, популяционная генетика.

В 90-х годах было дано определение химической экотоксикологии как области знаний о распространении и влиянии антропогенных химикатов и продуктов их трансформации на экосистемы.

В химической экотоксикологии используют специфические термины. Экотоксикантом называют токсичное и устойчивое в условиях окружающей среды вещество, способное накапливаться в организмах до опасных уровней концентраций. Чужеродные для организмов химические вещества, не входящие в естественный биотический круговорот, называют ксенобиотиками.

Экологическая магнификация обозначает процесс увеличения концентрации химиката в организмах при переходе от низших трофических уровней данной экосистемы к высшим. Типичный пример: в планктоне содержание диметилртути составляет примерно 0,01 мкг/г, в мышечной ткани хищных рыб достигает 1,5, а у птиц-рыболовов - 3-14 мкг/г[5].

1.ОПРЕДЕЛЕНИЕ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ЭКОТОКСИКОЛОГИИ

Загрязнение биосферы Земли антропогенными токсичными веществами, главным образом ксенобиотиками (чужеродными для нее химическими соединениями), приобретает поистине угрожающий характер. Общепризнанно, что человечество уже выбросило в биосферу более пяти миллионов различных веществ и продолжает выбрасывать их по несколько тысяч ежесуточно. Поэтому отнюдь не случайно загрязнение биосферы в большинстве глобальных моделей предвидимого будущего рассматривается среди пяти самых фундаментальных проблем (наряду с ростом народонаселения, истощением природных ресурсов, промышленным производством и производством сельскохозяйственных продуктов). Предостережения о негативном влиянии человеческой цивилизации на окружающую среду высказывались многими мыслителями. Еще в ХVIII в. Жан-Жак Руссо, знаменитый французский писатель и философ, произнес фразу: «Прогресс противоречив, а гармония невозможна». Более определенно в начале ХIХ в. высказался другой француз - естествоиспытатель Жан Батист Ламарк: «Человек, ослепленный эгоизмом вследствие беззаботного отношения к будущему и равнодушия к себе подобным, способствует уничтожению средств к самосохранению и тем самым - истреблению своего вида. Можно, пожалуй, сказать, что назначение человека как бы заключается в том, чтобы уничтожить свой род, предварительно сделав земной шар непригодным для обитания». Опасность химического загрязнения окружающей природной среды отмечал еще Шарль Луи де Монтескье (1689-1755). Хорошо известно, как далеко продвинулись с тех пор наука, технология и химическая промышленность. Число известных химических соединений, а вместе с ними и объем новых знаний нарастают во времени быстрее, чем по экспоненте. Такие опережающие темпы развития отличают химию от других естественных наук, подчиняющихся экспоненциальному закону развития.

На сегодняшний день, по данным «Chemical Abstracts», общее число известных соединений перевалило уже за 20 млн. Ежедневно в мире появляется в среднем 500 новых органических веществ. Количество же теоретически возможных небольших (мономерных) органических молекул, согласно «Chemical Informations Systems», достигает астрономической величины - 1068! Химия рассматривалась и рассматривается в качестве одного из основных средств решения продовольственной (удобрения, средства защиты растений), сырьевой (пластмассы, искусственные 5 волокна, смолы и т.д.) и энергетической проблем. Роль химии в современном мире хорошо охарактеризована рекламой фирмы «Дюпон де Немур»: «Лучшие вещи для лучшей жизни благодаря химии».

Химия - наука, диапазон отношений которой с обществом всегда был очень широк - от восхищения и слепой веры («химизация всего народного хозяйства») до столь же слепого отрицания («нитратный» бум) и хемофобии.

Хемофобия - неприятие химии и синтетических химических соединений. Например, неприятие лекарств, полученных синтетическим путем, химических удобрений, одежды из «синтетики». Сейчас наблюдается тенденция использования именно «природных» компонентов, например, в косметических и лекарственных препаратах. На химию был перенесен образ алхимика-мага, скрывающего свои цели и обладающего непонятной силой. Яды и порох в прошлом, нервнопаралитические и психотропные вещества сегодня - эти инструменты власти обыденное сознание ассоциирует с химией.

Поскольку химическая промышленность является важным и необходимым компонентом экономики, хемофобия нередко сознательно разжигается в конъюнктурных целях (искусственные экологические психозы).

В действительности нет оснований считать такой подход верным:

? любое химическое соединение, полученное искусственным путем (при условии достаточной очистки), не должно отличаться от своего природного аналога;

? очень многие синтетические вещества совершенно безопасны и приносят огромную пользу людям;

? существует множество вредных и опасных для жизни «природных» соединений.

На деле химия является системообразующим фактором современного общества, то есть совершенно необходимым условием его существования и воспроизводства. Прежде всего потому, что химия участвует в формировании современного человека. Из его мировоззрения нельзя изъять видение мира через призму понятий химии. Более того, в индустриальной цивилизации человек сохраняет свой статус члена общества (не маргинализуется) лишь в том 6 случае, если достаточно быстро осваивает новые химические представления (для чего служит целая система популяризации химии).

Вся техносфера - искусственно созданный окружающий человека мир - все быстрее насыщается продуктами химического производства, обращение с которыми требует высокого уровня химических знаний, навыков и интуиции.

Многие химикаты в процессе их производства, переработки, транспортировки и применения, а также при авариях попадают в различные элементы биосферы (почву, воздух, воду), переходящие в результате этого из стационарного состояния в экологически запрещенное - разрушающееся. Загрязнение биосферы Земли антропогенными токсичными веществами, главным образом ксенобиотиками (чужеродными для нее химическими соединениями), приобретает поистине угрожающий характер. Если в давние века люди использовали ХIХ химических элементов, в XVII в. - 26, в XVIII в. - 28, в XIX в. - 50, в самом начале XX в. - 59, то сегодня найдено применение фактически всем химическим элементам, встречающимся на Земле (и даже созданы новые, например, плутоний). По данным ВОЗ, только в водных объектах, помимо неорганических, определено более 3000 загрязняющих веществ органического происхождения.

Более 700 веществ, содержащихся в водных объектах, может попадать в питьевую воду, причем органических соединений там идентифицировано более 600. Многие из этих веществ опасны для человека. К примеру, нитраты при поступлении в организм с водой в повышенных дозах обладают разнообразным спектром вредного действия: повышают частоту инфекционных заболеваний, болезней кожи и подкожной клетчатки. При действии некоторых металлов появляется иной симптомокомплекс, где ведущим может быть поражение интеллекта, нервной системы, крови. Кроме того, из 700 соединений, идентифицированных в питьевой воде, 20 являются явными канцерогенами, 23 - потенциальными, 18 - промоторами, 56 веществ обладают мутагенным действием. Очевидно, что далеко не все вещества являются опасными для биосферы (таковыми признаны 53500 соединений), но ясно и то, что безвредных веществ вообще нет и быть не может. Все зависит от дозы (концентрации) вещества в среде, времени и условий взаимодействия организма и яда. Особенность современной ситуации заключается в том, что изменения в окружающей среде опережают темпы развития методов контроля и прогнозирования ее состояния. В настоящее время человек лишь констатирует неблагоприятные экологические явления и не может их предотвратить. Необходим качественно новый подход к описанию состояния окружающей среды как динамической химико-биологической системы.

По мнению Барри Коммонера, экосистема всегда разрушается извне:

- человек вырывает из экосистемы компоненты, представляющие экономическую ценность (рыба, лес, ресурсы);

- человек может искусственно увеличить какой-то компонент экосистемы извне, что также неблагоприятно;

- человек может вводить в экосистему совершенно чуждые ей вещества (пластмассы, пестициды, тяжелые металлы и др.).

Еще несколько десятков лет назад химические отходы производства просто сбрасывали в окружающую среду, а пестициды и удобрения практически бесконтрольно, исходя из утилитарных соображений, распыляли над огромными территориями. При этом полагали, что газообразные вещества должны быстро рассеиваться в атмосфере, жидкости частично растворяться в воде и уноситься из мест выброса. И хотя твердые продукты в значительной степени накапливались в регионах, потенциальная опасность промышленных выбросов рассматривалась как низкая. Использование же пестицидов и удобрений давало экономический эффект, во много раз превосходящий ущерб, наносимый токсикантами природе.

Эволюция не могла предполагать, что среда обитания так сильно и резко отклонится от естественного эталона, наполнится такими чужеродными примесями. Так, долгое время не могли разгадать причину сокращения популяций морских обитателей (особенно черепах) в 1970-е годы. Оказалось, что виной тому полимерный мусор (пленки, пакеты, бутылки), который животные заглатывают, принимая за медуз. Причём жертвой оказались не только прибрежные популяции Средиземного моря, Атлантического побережья Европы и США. Массовая гибель охватила животных, обитающих в акваториях далёких океанских архипелагов, обитателей открытого океана. Тур Хейердал печально отметил, что на «Кон-Тики» он шёл по чистому величественному океану, а на «Ра» уже постоянно встречал на своём пути жуткие острова мусора. Великобритания запретила рыболовам и охотникам использование свинцовых грузил и дроби. Было установлено, что в местах интенсивной охоты и рыболовства лебеди-шипуны заглатывают упавший на дно свинец, принимая его за безобидный и необходимый для пищеварения гравий. В желудке птиц кусочки свинца механически растираются гравием, измельчённый токсичный металл растворяется пищеварительным соком и разносится кровью по всему организму. Птицы медленно, мучительно погибают от свинцового отравления. По этой причине популяция лебедей на внутренних водоёмах Англии сокращалась каждый год в среднем на 3000 особей. Быстро прогрессирующая деградация природной среды, прямо угрожающая существованию человека, вызвала настоящий стресс в общественном сознании. Достаточно упомянуть лишь заголовки некоторых книг, отражающих крайнюю обеспокоенность общества. Это «Безмолвная весна» Р. Карсон, «Оскальпированная земля» О. Дугласа, «Трехсотлетняя война: Хроника экологического бедствия» Ю. Медведева. В 1962 г. появляется книга Рашель Карсон «Молчаливая весна», в которой автор описывает случаи массовой гибели птиц и рыб от бесконтрольного использования пестицидов. Карсон сделала вывод, что выявляемые эффекты поллютантов на дикую природу предвещают надвигающуюся беду и для человека. Эта книга привлекла всеобщее внимание. Появились общества защиты окружающей среды, правительственные законодательные акты, регламентирующие выбросы ксенобиотиков. С этой книги, по сути, началось развитие новой ветви науки - экотоксикологии. В самостоятельную науку экотоксикологию (ecotoxicology) выделил Рене Траут, который впервые в 1969 г. связал воедино два совершенно разных предмета: экологию (по Кребсу - науку о взаимоотношениях, которые определяют распространение и обитание живых существ) и токсикологию. На самом деле, эта область знаний включает в себя помимо указанных, элементы и других естественных наук, таких как химия, биохимия, физиология, популяционная генетика и т.д. Экотоксикология как термин, определяющий самостоятельное научное направление, введён в 1969 г., когда при Международном научном комитете по проблемам окружающей среды (СКОПЕ) была организована специальная Рабочая комиссия по экологической токсикологии. Тогда же были определены основные направления работ по экотоксикологии и принято официальное опpeделение этого направления. В этом же комитете в 1978 г. предложено считать термин официальным. Позднее это определение было уточнено на конференции СКОПЕ в 1978 г. Антропогенное загрязнение окружающей среды является наиболее негативным последствием развития человеческой цивилизации. Изучение эффектов химических веществ на популяции организмов и биоценозы стало предметом отдельной науки - экологической токсикологии.

Экотоксикология - «междисциплинарное научное направление, связанное с токсическими эффектами химических веществ на живые организмы и биоценозы, входящие в состав экосистем. Она изучает источники поступления вредных веществ в окружающую среду, их распространение и превращения в окружающей среде, действие на живые организмы .

Человек, несомненно, является наивысшей ступенью в ряду биологических мишеней. Первое упоминание об экотоксикологии в научных публикациях появились в конце 60-х гг. Данное направление предложено рассматривать как естественное ответвление токсикологии (науки об изучении воздействия ядов на индивидуальные организмы) в сторону экологических эффектов поллютантов.

Ксенобиотик может оказывать смертельное воздействие на индивидуальные организмы, но не иметь экологического значения. Нередко наблюдается обратная картина: малотоксичный поллютант является экотоксикантом. Экотоксикология оперирует как категориями общей экологии (экосистема, биоценоз, биотоп, биосфера и др.), общей токсикологии (яд, токсичность, опасность, токсический эффект и др.), так и собственными терминами (токсикант, экотоксикант, поллютант, суперэкотоксикант и др.). Термин «токсикант», по-видимому, может быть приравнен к понятию «яд». Чрезвычайно токсичные и опасные яды не всегда относятся к экотоксикантам. К примеру, не считаются экотоксикантами - зарин, зоман, фосген, синильная кислота и другие отравляющие вещества. В то же время, диоксид углерода, являющийся составной частью атмосферного воздуха, приобретает все более важное экологическое значение (парниковый эффект). Поэтому к экотоксикантам целесообразно относить лишь те химические соединения, которые прямо или косвенно могут влиять на состояние популяций и биоценозов.

Часто используют сходное понятие «поллютант, экополлютант» - вещество, встречающееся в окружающей среде, по крайней мере отчасти вследствие деятельности человека, и которое оказывает вредное действие на живые организмы.

Экополлютант, накопившийся в среде в количестве, достаточном для инициации неблагоприятных эффектов в биоценозе (на любом уровне организации), может быть обозначен, как экотоксикант. В системе оценки экологического риска любое воздействие, будь то химический фактор или энергетическое поле, вызывающее изменения в биологических системах, как позитивные, так и негативные, называются стрессором.

В этом смысле любой экотоксикант - несомненно, стрессор. F. Moriarty (1983) предлагает делить поллютанты на две группы. Первая группа - поллютанты, продуцируемые в количествах, при которых не проявляется прямой эффект на живые организмы, но при которых нарушаются химические и физические параметры окружающей среды.

Вторую группу составляют токсичные экотоксиканты: SO2 и другие оксиды серы закисляют почвы, воды. Они имеют отношение к кислотным дождям. В тех случаях, когда экотоксиканты обладают высокой стойкостью (персистентностью), медленно метаболизируются в организмах, накапливаются в них (кумуляция), способны мигрировать в окружающей среде и по пищевым цепям, говорят о суперэкотоксикантах. К таковым относят хлорорганические пестициды, диоксины (в том числе ТХДД - тетрахлордибензопарадиоксин), тяжелые металлы.

Основным предметом экотоксикологии следует считать изменения, вызываемые вредными веществами в биологических системах надорганизменного уровня.

Токсические эффекты молекулярно-генетического, клеточно-тканевого и онтогенетического уровней, реализуемые в растительных и животных организмах через разнообразие физиологических, биохимических, функциональных нарушений, рассматриваются в экотоксикологии в качестве первичных токсических эффектов, имеющих следствием нарушения популяционных механизмов. Ответ экосистемы на химические загрязнения неспецифичен: изменения продуктивности, соотношения видов и т.д. Такие же изменения возможны под влиянием и иных, не химических факторов.

Цель экотоксикологии - обоснование мероприятий по профилактике вредных воздействий химических загрязнителей внешней среды, создание благоприятных условий для жизни и деятельности человека, развития и функционирования организмов животного и растительного происхождения. Главными задачами экотоксикологии следует считать:

- оценку опасности для здоровья человека отдельных химических загрязнителей, а также изменений в окружающей среде, вызванных этими загрязнителями;

- оценку опасности загрязнения для экосистемы в целом и для отдельных ее элементов; использование полученных данных для уменьшения неблагоприятного воздействия загрязнения, для разработки необходимых мероприятий, направленных на улучшение состояния биосферы и здоровья населения.

Важнейшие научно-практические проблемы современной экотоксикологии: - устойчивость экосистем; пока нет конкретного решения указанной проблемы вследствие необычайного множества связей в экосистемах; при этом связи чаще носят нелинейный характер; наиболее перспективным методом решения данной проблемы представляется компьютерное моделирование;

- понятие экологической нормы; экосистема может существовать в нескольких состояниях, что усложняет определение нормы; затруднения привносит субъективный подход, т.е. формирующийся на антропоцентристской позиции, требующей максимального удовлетворения потребностей человека; наиболее характерный показатель нормы биологической системы - способность поддерживать условия оптимума, т.е. адаптивный потенциал системы;

- адаптация экологических систем к токсическому воздействию; выделяют три уровня адаптации; во-первых, приспособительные реакции индивидуального организма; во-вторых, это приспособительные реакции надорганизменного уровня; чаще это касается одного-двух компонентов экосистемы;

-третий уровень адаптации - процесс адаптивной микроэволюции; при длительном токсическом воздействии на популяцию (десятки-сотни поколений) через несколько промежуточных этапов со снижением продуктивности и численности популяция восстанавливает численность, но это уже новая экологическая норма;

- пространственно-временная неоднородность экосистем; этот фактор может ослаблять опустынивающий эффект какого-то источника химического загрязнения за счет особей, живущих на достаточно «чистых» участках. Под вредным воздействием, наносимым соответствующей системе, в экотоксикологии понимают:

- явственные изменения обычных колебаний численности популяции;

- долгосрочные или необратимые изменения состояния экосистемы.

Основными методами экотоксикологии следует считать биоиндикацию (оценка качества окружающей среды) и биотестирование (т.е. экспериментальное изучение токсических эффектов), а также мониторинг состояния здоровья человека. Важное значение сохраняют методы по изучению механизмов токсического действия, оценка соотношения «доза-эффект», определение токсикантов в объектах окружающей среды, живых организмах и т.д.

В самом названии экотоксикология ярко проявляется ее связь с исследованием экосистем, причем не имеет значения, рассматриваются природные или культурные (созданные человеком) экосистемы, такие как городские, сельские или лесохозяйственные системы.

Экотоксикология основана на достижениях экологической химии. Для решения общих проблем необходима интенсивная совместная общая работа экотоксикологов с биологами, экологами, специалистами-аграрниками, медиками и химиками.

Задачей токсикологии является защита человека от действия токсичных веществ, и главная проблема заключается в использовании результатов, полученных in vitro и в экспериментах на животных для организма человека. Задачи экотоксикологии совсем иные. Экотоксикология направлена на защиту не конкретного индивидуума, а на сохранение функций и многообразия экосистем и на защиту видов, страдающих от воздействия вредных веществ. За немногими исключениями (как, например, изучение воздействий на почвенные микроорганизмы) экотоксикологические испытания проводят токсикологическими методами на одном или нескольких видах, а результаты приходится переносить на все многообразие видов экосистемы и проводить оценку экологических последствий токсических воздействий. Поскольку невозможно провести исследования по всем видам, населяющим экосистему, экотоксикологические испытания можно использовать только в качестве первоначального ориентира.

2. ПРИОРИТЕТНЫЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Загрязняющие химические продукты классифицируют по источникам поступления, областям применения и характеру воздействия. Другим типом классификации химических продуктов является деление их на природные и несвойственные окружающей среде (ксенобиотики).

Ксенобиотиками называют вещества, по своей структуре и биологическим свойствам чуждые биосфере и полученные исключительно в результате химического синтеза. Степень «несвойственности» таких химических веществ природе различна, так как по своей структуре они могут быть совсем близкими к природным веществам или полностью отличаться от них (например, идентичные природным ароматические вещества, выпускаемые промышленностью; близкие к природным инсектициды - синтетические пиретроиды, в противоположность соединениям с новой структурой, созданной человеком). Разнообразие и большая численность загрязняющих веществ делают практически невозможным контроль над содержанием каждого из них в объектах окружающей среды. Поэтому среди множества химических веществ выделяют те, которые производятся в крупных масштабах (больше 1000 кг/год) и которые представляют особую опасность для различных экосистем. Эту группу веществ называют приоритетными загрязняющими веществами окружающей среды. Для обоснованного выбора приоритетных химических веществ обычно придерживаются определенных требования, изложенных в Международной Программе по Химической Безопасности.

Приоритетными считают вещества, имеющие следующие характеристики:

- широкое распространение вещества в окружающих человека микросредах и уровни его воздействия, способные вызвать неблагоприятные изменения в состоянии здоровья населения;

-устойчивость токсического вещества к воздействию факторов окружающей среды, его накопление в организме, включение в пищевые цепи или в природные процессы циркуляции веществ;

- частота и тяжесть неблагоприятных эффектов, наблюдаемых в состоянии здоровья населения при воздействии токсического агента, при этом особенно важны необратимые или длительно протекающие изменения в организме, приводящие к генетическим дефектам, или другие нарушения развития у потомства;

- постоянный характер действия; - изменение (трансформация) химического вещества в окружающей среде или организме человека, приводящее к образованию продуктов, имеющих большую, чем исходное вещество, токсичность для человека;

- большая величина популяции населения, подверженного действию химического вещества (вся популяция, профессиональные контингенты или подгруппы, имеющие повышенную чувствительность к воздействию данного токсиканта).

В 1980-х годах Агентством по охране окружающей среды США (EPA) и ответственными органами стран Европейского сообщества был составлен список приоритетных загрязняющих веществ, включавший около 180 химических соединений. Анализ этого списка показывает, что около 60 % приоритетных загрязняющих веществ относится к хлор- и бромсодержащим соединениям.

Странами ООН, участвующими в мероприятиях по улучшению и охране окружающей среды, согласован общий перечень наиболее важных (приоритетных) веществ, загрязняющих биосферу. К их числу обычно относят соединения тяжелых металлов, пестициды, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), хлорорганические соединения (ХОС), нефтепродукты, фенолы, детергенты, нитраты. Из этого перечня приоритетных загрязняющих веществ наиболее опасными являются тяжелые металлы, полиароматические углеводороды и хлорорганические соединения.

2.1 Тяжелые металлы

Среди приоритетных химических веществ, загрязняющих биосферу, особое место занимают металлы. Это обусловлено следующими причинами.

1. Скорость извлечения металлов из земной коры человеком выше, чем геологическая скорость их извлечения. Глобальное накопление металлов в биосфере связано с их индексами технофильности, рассчитываемыми как отношение годовой добычи металлов к их средним содержанием в земной коре. Основными антропогенными источниками металлов служат различные топливные установки, предприятия черной и цветной металлургии, горнодобывающие предприятия, цементные заводы, химические предприятия, гальванические производства и транспорт.

2. В отличие от органических загрязняющих веществ, подвергающихся процессам разложения, металлы способны лишь к перераспределению между отдельными компонентами географической оболочки.

3. Металлы сравнительно легко накапливаются в почвах, но трудно и медленно из нее удаляются. Период полуудаления из почвы цинка - до 500 лет, кадмия - до 1100 лет, меди - до 1500 лет, свинца - до нескольких тысяч лет.

4. Металлы хорошо аккумулируются органами и тканями человека, теплокровных животных и гидробионтов.

5. Металлы, особенно тяжелые, высокотоксичны для различных биологических объектов. В последнее время (с конца 1960-х годов) в специальной научной литературе появился термин «тяжелые металлы», который сразу же приобрел негативное звучание. С этим термином связано представление о чем-то токсичном, опасном для живых организмов: будь то человек, животные или растения. Однако надо иметь в виду, что многие из причисляемых к этой группе элементов жизненно необходимы (эссенциальны) для различных живых организмов.

Обычно к тяжелым металлам относят группу химических элементов, имеющих плотность более 5 г/см3 . Для биологической классификации правильнее руководствоваться не плотностью, а атомной массой, то есть относить к тяжелым металлам все металлы с относительной атомной массой более 40 а. е. м. И хотя термин «тяжелые металлы» неудачен, им приходится пользоваться, так как он прочно вошел в экологическую литературу. Набор тяжелых металлов (ТМ) во многом совпадает с перечнем «микроэлементов». Под микроэлементами подразумеваются такие химические элементы, облигатные (обязательные) для растительных и живых организмов, содержание которых измеряется 10-2величинами порядка n 10-5 %. Из приоритетных металлов наибольшее внимание уделяется четырем, называемым «большой четверкой», это - свинец, ртуть, кадмий и мышьяк.

Свинец

История применения свинца очень древняя, что обусловлено относительной простотой его получения и большой рас- 10-3 %). Общие запасы свинца в земной коре на планете оценивают в 100 млн т, главным образом в виде сульфата. Из этого естественного источника в окружающую среду поступает ежегодно в виде силикатной пыли почвы, вулканического дыма, испарений лесов, морских солевых аэрозолей и метеоритной пыли до 210 тыс. т свинца. Свинец применяется в производстве кабелей; компонент разнообразных сплавов. Свинец и его оксиды используются в производстве аккумуляторов. Многие соединения свинца используются для изготовления красок, замазок, лаков, спичек, пиротехнических изделий, пластмасс (в качестве стабилизатора), электрических элементов и т. д.

Соединения свинца- основа широко применяемых пигментов: сурика и свинцовых белил. Глазури, которыми древние покрывали глиняную посуду, также являются соединениями свинца. Начиная со времен Древнего Рима, металлический свинец используют при прокладке водопроводов. Объем современного производства свинца составляет более 2,5 млн т в год. В результате производственной деятельности 18 в природные водные объекты ежегодно поступает от 500 до 600 тыс. т свинца. Через атмосферу на поверхность Земли оседает около 400 тыс. т. В атмосферный воздух основная часть свинца (около 260 тыс. т) выбрасывается с выхлопными газами автотранспорта, меньшая (около 30 тыс. т) - при сжигании каменного угля. Ежедневное поступление свинца в организм человека колеблется от 70 до 400 мкг.

Основной источник поступления соединений свинца в организм - пища, преимущественно растительная. Поступление свинца в организм человека с питьевой водой составляет лишь несколько процентов от того количества свинца, которое вводится с пищей и воздухом. Основной источник свинца в воде - сплавы, используемые при соединении водопроводных труб. Имеются доказательства того, что содержание свинца в хлорированной водопроводной воде больше, чем в нехлорированной.

Воздействие свинца и его соединений на человека приводит к изменению его нервной системы, проявляющееся в головной боли, головокружениях, повышенной утомляемости, раздражительности, в нарушении сна, ухудшении памяти, мышечной гипотонии, потливости. У работниц свинцовых производств в возрасте 21-40 лет со стажем 6-20 лет отмечены нарушения менструальной функции. Нарушение детородной функции проявляется в большей частоте преждевременных родов, выкидышей и внутриутробной смерти плода, что связано с проникновением свинца в плод. Новорожденные дети медленно растут, высока их смертность. У детей с уровнем свинца в крови от 250 до 550 мкг/л имеют место нарушения в поведении, умственная отсталость; при 600 мкг/л - дебильность. Сравнительно недавно ученые США пришли к заключению, что свинцовая токсикация - причина агрессивного поведения школьников и снижения их способности к обучению. Свинец (наряду с другими тяжелыми металлами - кадмием и ртутью) отрицательно влияет на реакцию палочек глазной сетчатки. Поэтому повышенное содержание свинца в организме человека вызывает ухудшение сумеречного зрения. Вследствие этого положение водителей и их пассажиров становится опасным: на автодорогах в организм водителя попадает больше остатков выхлопных газов. Для шофера нарушение сумеречного зрения может иметь катастрофические последствия. В этом случае источник свинца - 19 этилированный бензин, который содержит в качестве добавки тетраэтил-свинец Pb(C2H5)4. Тетраэтилсвинец рассматривается как биоцид. Например, зайцы, не находя сорняков на интенсивно обрабатываемых сельскохозяйственных угодьях, поедают траву с обочин автомагистралей. Однако такая трава сильно загрязнена свинцом и зайцы становятся его накопителями. И если даже они от этого не погибают, то все же становятся не очень проворными и гибнут под колесами автомашин, пытаясь перебежать дорогу. Расчеты показали, что трех таких зайцев в одну неделю вполне достаточно, чтобы человек мог заболеть в результате свинцового отравления.

Ртуть

Ртуть - рассеянный элемент, концентрируется в сульфидных рудах. Небольшие количества ртути встречаются 10-6 %: в земнойв самородном виде. Среднее содержание ртути (в коре 8, в гранитном слое коры континентов 3,3, в почве 1, в отложениях 4, в сумме солей Мирового океана 0,43, в золе растений 25, в живой фитомассе 0,5. Суммарное количество ртути в океане 206 млн. т. Общее количество элемента в атмосфере 300-350 т, причем концентрация ртути над сушей на порядок выше, чем над океаном. Время жизни ртути в атмосфере примерно 10 суток. Из водной среды растворимые формы ртути выводятся в донные отложения, концентрируясь в небиогенных глинистых илах. Прочно фиксируется почвой, образуя комплексы с гуминовыми кислотами (период полувыведения ртути из почвы 250 лет). Из 1 м дождевой воды на Землю выпадает 200 мкг ртути, что за год составляет более 100 000 т. Это в 15-20 раз больше того количества, которое добывает человечество.

Основные области применения ртути: электротехническая и электрохимическая промышленности. Ртуть используется в качестве жидких электродов в ртутных выпрямителях тока.

Другие применения ртути - лабораторные приборы, лекарственные препараты, фунгициды. Кроме того, ртуть используется при извлечении из руд благородных металлов, в частности золота; в качестве легирующей добавки, теплоносителя, катализатора в химической промышленности, при производстве амальгам, необрастающих красок, средств для предотвращения гниения древесины. 20 Ртуть - один из немногих элементов, жидкий при комнатной температуре. Хотя ее точка кипения 357 °С, ртуть очень летуча, а поэтому и более опасна. В одном кубометре насыщенного при 25 °С воздуха содержится 20 мг ртути. При вдыхании пары ртути хорошо адсорбируются и аккумулируются в мозге, почках, яичках. Острое отравление вызывает разрушение легких. В тканях организма элементная ртуть превращается в ион, который соединяется с молекулами, содержащими сульфгидрильные группы (SH-группы), в том числе и с макромолекулами белков. Хроническое отравление ртутью заключается в постоянном нарушении нервной системы, вызывает усталость, а при более высоких уровнях отравления вызывает характерный ртутный тремор, когда мелкая дрожь каждые несколько минут прерывается весьма заметным трясением.

Персонаж «Алисы в стране чудес» Льюиса Кэрролла сумасшедший Хаттер - яркий пример жертвы профессионального заболевания от отравления нитратом ртути Hg(NO3)2, используемой при обработке меха. Ртуть активно аккумулируется планктонными организмами, представляющими пищу для ракообразных, а последние поедаются рыбами. Щуки, выловленные в Балтийском море у шведского побережья, содержали до 5,7 мг/кг метилртути, и если этой рыбой кормили кошек, то они умирали от ртутного отравления через 2-3 месяца. В печени птиц из тех же районов обнаруживают еще большие концентрации ртути: у ястреба - до 25, пустельги - до 41 и кряквы - до 80 мг/кг. Органические соединения ртути, такие как хлорид метилртути CH3HgCl, высокотоксичны вследствие их летучести. В загрязненной воде, содержащей ртуть, микроорганизмы легко переводят неорганические соединения ртути в монометилртуть CH3Hg+ . В организме рыб большая часть ртути находится именно в этой форме, которая может сохраняться годами.

В организме человека время полужизни ртути составляет от нескольких месяцев до нескольких лет. Токсический эффект может быть скрытым. Симптомы отравления могут проявиться лишь через несколько лет. Соединения ртути, в том числе метилртуть в значительных объемах попадает в водные объекты. Ртуть аккумулируется планктонными организмами, являющимися пищей для ракообразных, а последние поедаются рыбами. Щуки, выловленные в Балтийском море у побережья Швеции, содержали до 5,7 мг/кг метилртути и когда этой рыбой кормили кошек, то они погибали от ртутного отравления через 2-3 месяца. Наиболее известные примеры массового отравления ртутью были вызваны именно CH3Hg+ . В 1953 г. в Японии у 121 жителя побережья в бухте Минамата было зафиксировано заболевание, сопровождавшееся ломотой в суставах, нарушением слуха и зрения. Это заболевание, вошедшее в литературу под названием «болезнь Минамата», закончилась смертью для почти трети больных. В дальнейшем в 1959 г. удалось установить, что эта болезнь вызывается употреблением в пищу рыбы, отравленной ртутью в форме хлорида CH3HgCl, сбрасываемого химическим предприятием прямо в воды залива. Концентрация ртути была настолько велика, что рыба погибала; поедавшие эту рыбу птицы падали прямо в море, а отведавшие отравленной пищи кошки передвигались, «кружась и подпрыгивая, зигзагами и коллапсируя». К 1954 г. популяция кошек в этих местах заметно снизилась. Однако до 1959 г. никаких замеров ртутного загрязнения вод залива в этом районе не проводилось (мониторинг отсутствовал). И только благодаря старинному японскому обычаю сохранять высушенную пуповину своих новорожденных удалось доказать, что загрязнение залива ртутью началось еще в 1947 г. Интенсивное расследование позволило установить, что на ацетиленовом производстве ртутные отходы сбрасывались в реку, впадающую в бухту Минамата. При этом ртуть, о чем первоначально и не подозревали, микробиологическим путем превращалась в метилртуть, которая через планктон, моллюсков и рыб в конце концов попадала в пищу. В этом цикле ртуть постепенно концентрировалась и в конце пищевой цепи, дойдя до человека, достигала токсической концентрации. Подобного рода биоаккумуляция возможна только тогда, когда загрязняющее вещество поступает в организм быстрее, чем выводится из него. Но вплоть до 1968 г. сбрасывание стоков в залив не было приостановлено. Особо подчеркнем, что подобные вещества представляют опасность для организмов вследствие их устойчивости и липофильности (взаимодействию с жирами), обусловливающими большой период полувыведения (время, в течение которого выделяется или разрушается половина усвоенного организмом вещества). Для большинства тканей организма человека период полувыведения ртути 70-80 дней. Исследования показали, что бактерии в донном иле озер и рек, в слизи, покрывающей тела рыб, а также в слизи рыбьего желудка способны превращать неорганические соединения ртути в метилртуть. Часть ртути, попавшей в залив Минамата, уже была в форме метилртути, но гораздо бульшая доля последней все же была образована бактериями. Для человека болезнь Минамата начинается с онемения конечностей и лица, нарушения чувствительности кожи и двигательной активности рук, к примеру, при письме. Затем нарушается координация движений, слабость, дрожь и неуверенность походки, а также нарушения речи, слуха, зрения. И на заключительной стадии - общий паралич, деформация конечностей, особенно пальцев, затрудненное глотание, конвульсии и смерть. Трагично и то, что дети, рожденные у мало пострадавших матерей, погибали от церебрального паралича и становились идиотами. Другой пример, связанный с отравлением ртутью. Ирак закупил у Мексики протравленное метилртутью зерно в качестве посевного материала. Однако местное население использовало это зерно для выпечки хлеба. В результате было госпитализировано 6530 и 495 человек погибли (1971-1972 гг.) Симптомы были те же, что и при болезни Минамата. Прием всего лишь одного грамма ртутной соли приводит к летальному исходу. Кадмий. Кадмий относится к редким, рассеянным элементам. Он содержится в виде изоморфной примеси во многих минералах и всегда в минералах цинка. Содержание в земной коре, почве и 23 природных водах колеблется от n•10-5 до n•10-6 %, в растениях - n•10-4 % массы сухого вещества. Кадмий применяется в ядерной энергетике для изготовления регулирующих, компенсационных и аварийных стержней атомных реакторов, в гальваностегии (антикоррозионные и декоративные покрытия). Он входит в состав некоторых сплавов: для припоев при изготовлении подшипников, типографских клише, электродов сварочных машин, легкоплавких, драгоценных (с серебром и золотом) и др. используется в производстве полупроводников, никель- кадмиевых аккумуляторов. Соединения кадмия входят в состав ряда пигментов, катализаторов, пиротехнических составов, стабилизаторов, лазерных материалов. Антропогенные источники поступления кадмия в окружающую среду разделяют на две группы: локальные выбросы, связанные с промышленными комплексами, производящими или использующими кадмий, и диффузно рассеянные по Земле источники разных степеней мощности (тепловые энергетические установки, моторы, минеральные удобрения, табачный дым). Это означает, что у курильщика, выкуривающего одну пачку сигарет в день, в два раза по сравнению с некурящим, увеличен уровень кадмия в печени и почках. Антропогенная эмиссия кадмия в биосферу в несколько раз превышает природную. Так, в воздушную среду ежегодно поступает около 9000 т кадмия, причем 7700 т (то есть более 85 %) - в результате деятельности человека. Только в Балтийское море ежегодно поступает 200 т кадмия, в том числе 45 % - из воздуха. Особенно резко выражено загрязнение кадмием воды водоемов и почвы в районах размещения горно-металлургических комбинатов и предприятий по добыче и переработке цинковой руды. Загрязнение воздуха и поверхности почвы вызывает кадмий, содержащийся в выхлопных газах автомашин и тракторов. Оседание кадмиевых аэрозолей на почвы дополняется внесением кадмия в почву сельскохозяйственных угодий с минеральными удобрениями: суперфосфатом, фосфатом калия и селитрой.

Загрязнение почвы кадмием сохраняется длительное время после прекращения его поступления. Так, в Англии, на территории, примыкающей к старинным плавильным печам, не функционирующим со средних веков, концентрация кадмия оказалась в сотни раз выше фоновых концентраций. Ежедневно с пищей, водой и воздухом в организм поступает до 0,2 мг кадмия. При этом большая часть поступает с пищей, меньшая с водой и воздухом. К характерным болезням горожан, связанных с поступлением кадмия, относятся гипертония, ишемическая болезнь сердца, почечная недостаточность. Курильщики или занятые на производстве с использованием кадмия рискуют заболеть эмфиземой легких, а некурящие - бронхитами, фарингитами и другими заболеваниями органов дыхания. Наиболее серьезным последствием интоксикации кадмием является развитие почечной недостаточности. Особо подчеркнем, что кадмий опасен в любой форме. 30- 40 мг могут оказаться смертельными. Поэтому даже питье лимонада из сосудов, материал которых содержит кадмий, чревато опасностью. Из организма кадмий выводится очень медленно (примерно 0,1 % в сутки), вследствие чего может происходить хроническое отравление. Самые ранние симптомы хронического отравления кадмием - белок в моче, дисфункция половых органов, нарушение нервной системы, острые костные боли в спине и ногах. Известна история, как цинковый рудник в Японии загрязнил речку Дзинцу. Около полутораста человек умерло от атрофии костного скелета. Эта трагедия вошла в историю отравлений тяжелыми металлами под названием «болезнь итаи-итаи» (японский эквивалент выражения «ох-ох»). Название болезни происходит от боли в спине и ногах, сопровождающейся декальцификацией скелета (обычно у старых женщин), которое приводит к ломкости костей (известен случай с 72 переломами у одного человека). Болезнь протекает с деформацией скелета, снижением роста, тяжелыми болями в пояснице, в мышцах ног, утиной походкой, легкостью возникновения переломов при самых незначительных напряжениях, например переломы ребер при кашле. Это заболевание приводит к смерти. В Японии оно могло возникнуть из-за употребления воды, загрязненной кадмием, непосредственно при питье или при потреблении в пищу зерна (особенно риса), которое при выращивании поливали водой в течение многих лет[9].

В США случаи заболевания итаи-итаи имели место в связи с потреблением сахарного горошка, который содержал большие количества кадмия. Количество кадмия, попадающее в организм человека, зависит не только от потребления им кадмийсодержащих пищевых продуктов, но и в значительной степени от качества его диеты. В частности, даже весьма незначительная недостаточность железа может заметно увеличить аккумуляцию кадмия.

Токсические эффекты кадмия в водных объектах широко варьируют в зависимости от вида организма, концентрации, температуры среды, жесткости воды и наличия других металлов. Установлено, что токсическому действию кадмия наиболее подвержены водные организмы в эмбриональной стадии развития. Исследования на гольянах и других видах рыб показали тератогенное действие соединений кадмия, выражающееся в разнообразных уродствах.

Мышьяк

Мышьяк - полуметалл. В окружающей среде мышьяк находится в виде разнообразных химически устойчивых форм. Его два главных состояния окисления: As(III) и As(V). В природе распространен пятивалентный мышьяк в виде разнообразных неорганических соединений, хотя и трехвалентный мышьяк легко обнаруживается в воде, особенно в анаэробных условиях. В естественных условиях соединения мышьяка поступают в окружающую среду при извержении вулканов и ветровой эрозии почвы.

Антропогенные источники поступления мышьяка в окружающую среду - добыча и переработка мышьяксодержащих руд, пирометаллургия, сжигание природных видов топлива - каменного угля, сланцев, нефти, торфа, а также производство и использование суперфосфатов, содержащих мышьяк ядохимикатов, препаратов и антисептиков. Металлический мышьяк применяется только в сплавах (с медью, свинцом); входит в состав некоторых антифрикционных и типографских сплавов. Хлорид мышьяка (III) используется в производстве фармацевтических препаратов и для уничтожения личинок комаров. Загрязнение водной среды мышьяком возможно при длительном контакте природных вод с отвалами на основе неутилизируемых твердых мышьяксодержащих отходов. Отходы, складируемые на открытых площадках без спецзахоронения или замуровываемые в глиняные траншеи и котлованы, представляют собой мощные источники загрязнения почвы, воды и атмосферного воздуха. Применение мышьяксодержащих пестицидов в сельском хозяйстве приводит к загрязнению почв. Мышьяк уже долгое время является предметом токсикологических исследований. Эти исследования ставились из-за частых случаев его использования в качестве средства для убийства и самоубийства, из-за его употребления в качестве пестицида в садах и виноградниках, как отравляющего вещества кожно-нарывного действия в химическом вооружении.

Токсические эффекты соединений мышьяка хорошо и достаточно давно известны. Напомним историю смерти Наполеона, погибшего на острове Святой Елены от хронического отравления мышьяком. Об этом свидетельствовали результаты анализов останков императора. Другой пример - «рак виноградарей», еще в позапрошлом веке использовавших препараты мышьяка для опрыскивания своих виноградников.

Механизмы токсического действия мышьяка множественны. Это и нарушение тканевого дыхания и дегенеративные и некротические процессы в тканях и тератогенные эффекты (у женщин, подвергавшихся во время беременности экспозиции к мышьяку, часто рождаются дети с низким весом, имеют место различные уродства, а также высока частота выкидышей). Спустя значительное время после контакта с мышьяком, может проявиться его канцерогенное действие. Причем кроме производственных условий, главные пути поступления мышьяка в организм человека - мышьяксодержащие лекарства, пестициды и питьевая вода.

В случае сильного отравления основным признаком является сильное нарушение желудочно-кишечного тракта, сопровождаемое спазмами и диареей, и эти эффекты проявляются почти немедленно. Мышьяк включен в группу безусловных канцерогенов для человека, поскольку вызывает рак легких и кожи. Реакция организма на тяжелые металлы является двухфазной. Если организм получает слишком мало металлов, ему наносится тяжелый ущерб. Это объясняется тем, что в организме содержится множество ферментов, которые могут функционировать только в присутствии тяжелых металлов, хотя бы в следовых количествах. Однако если в организм попадает слишком много того или иного металла, то наступает вторая фаза, связанная с токсическим действием избыточного количества.

2.2 Полициклические ароматические углеводороды

Известно большое количество полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) (нафталин, антрацен, пирен, хризен, фенантрен, бенз(а)антрацен и другие). Соединения этой группы встречаются практически во всех сферах окружающей человека среды. Установлено, что ПАУ возникают как продукт абиотического происхождения в результате вулканической деятельности. Так, при исследовании образцов вулканического пепла были обнаружены различные (но отличающиеся, как правило, не более чем на один порядок), уровни содержания ПАУ.

Было подсчитано, что при современном уровне вулканической активности ежегодно в биосферу Земли поступает до 24 т. БП с пеплом вулканов . Другой природный источник ПАУ - процессы нефте-, угле- и сланцеобразования. Экспериментально доказана и возможность синтеза ПАУ различными микроорганизмами и растениями, этим путем в биосферу поступает ежегодно до 1000 т БП. Если современный фоновый уровень ПАУ практически совпадает с природным, существующим на протяжении тысячелетий (что подтверждено определением БП в пробах почв из зон вечной мерзлоты), то антропогенное загрязнение среды этими соединениями много- кратно его превышает. ПАУ образуются главным образом в процессе горения самых различных горючих материалов (уголь, древесина, сланцы, нефтепродукты) при температуре около 80 °С и свыше 500 °С. ПАУ по- падают в атмосферу со смолистыми веществами (дымовые газы, копоть, сажа и т. д.), поступают в водоемы со стоками различных видов, атмосферными осадками, выбросами водного транспорта и т. д. Основными антропогенными источниками ПАУ являются: - стационарные, то есть промышленные выбросы от коксохимических, металлургических, нефтеперерабатывающих и иных производств, а также отопительных систем и предприятий тепло- энергетики; - передвижные, то есть наземный, в основном, автомобильный транспорт, авиация, водный транспорт. Установлено, что только за 1 мин работы газотурбинный двигатель современного 29 самолета выбрасывает в атмосферу 2-4 мг БП. Даже приблизительные расчеты показывают, что в атмосферу от этого источника поступает ежегодно более 5000 т БП. Индикаторное значение для всех ПАУ имеет бензапирен (БП).

Это обусловлено следующими наблюдениями:

1) БП всегда находят там, где присутствуют другие ПАУ.

2) По сравнению с другими ПАУ именно БП обладает наибольшей стабильностью в окружающей среде.

3) БП отличается наиболее выраженной биологической, в частности, канцерогенной активностью.

4) Существующие физико-химические методы индикации БП в различных средах являются наиболее чувствительными среди методов определения ПАУ. БП идентифицирован в табачном дыму (20-40 мкг/сигарету), дыму марихуаны (29 нг/сигарету), городском воздухе (0,05-74 нг/м3 ), выхлопах дизельных двигателей (2-170 мкг/кг экстракта), отработанных машинных маслах (5,2-35,1 мг/кг), загрязнениях водоемов (0,2-13000 нг/л), чае (3,9-21,3 мкг/кг), кулинарных продуктах.