Тема 1. Введение. Экологические аспекты токсикологии

1.Определение, понятия, цели и задачи токсикологии

2.Химическое загрязнение природной среды

3.Миграция загрязнений в природных средах

4.Основная причина загрязнения окружающей среды

5.Загрязнение окружающей среды отходами производства и потребления

Введение

Токсическими свойствами обладают многие вещества: помимо радионуклидов и токсических металлов, это многие тысячи органических веществ, преимущественно синтетического происхождения. По оценкам ученых, количества произведенных и находящихся в окружающей среде токсичных хлорорганических веществ достаточно для уничтожения всех аэробных (потребляющих кислород) организмов, малую долю которых по численности и по массе составляет человечество. Для токсичных веществ, присутствующих в окружающей среде, были введены термины «экотоксины» и «суперэкотоксины». Некоторые из этих веществ обладают ценными техническими свойствами. Другие – малые, порой ничтожные примеси веществ, образуются при производстве энергии, материалов, пищи. Токсичные вещества попадают в окружающую среду и либо надолго задерживаются в почвах, либо с водотоком или ветром распространяются на сотни и тысячи километров от места их сбрасывания. С водой, воздухом и пищей токсины попадают в организм животных и человека, что приводит к негативным последствиям – от острого отравления со смертельным исходом до заболеваний, проявляющихся лишь через годы (а порой эти последствия проявляются лишь в следующем поколении). Многочисленные статистические данные свидетельствуют об ухудшении генофонда, увеличении количества детей с теми или иными отклонениями от физиологической или психической нормы. Специфические и неспецифические заболевания, которые поражают нас сегодня из-за хронической токсикации, приводят как минимум к снижению качества жизни.

Каждый из нас, несомненно, согласится со словами известного немецкого философа А. Шопенгауэра: «...вообще девять десятых нашего счастья основано на здоровье. При нем все становится источником наслаждения, тогда как без него никакие внешние блага не могут доставить удовольствие, даже субъективные блага: качество ума, души, темперамента при болезненном состоянии ослабевают и замирают. Отнюдь не лишено основания, что мы прежде всего спрашиваем друг друга о здоровье и желаем его друг другу: оно поистине главное условие человеческого счастья». Как сохранить здоровье в ухудшающейся экологической обстановке? Какая среда благоприятна? Какие экологические нарушения влияют на здоровье? На эти вопросы можно получить ответ только на основе разработок ученых-экологов, в том числе и специалистов в области токсикологии.

1.Определение, понятия, цели и задачи токсикологии

Токсикология (от греч. Toxicon – яд и logos – учение) – это область науки, изучающая законы взаимодействия живого организма и вредного вещества (яда). В роли последнего может оказаться любой химический элемент среды обитания, поступающий в количестве (качестве), не соответствующем врожденным или приобретенным свойствам организма и поэтому не совместимый с его жизнью.

Вредное вещество – вещество, которое при контакте с организмом человека может вызвать заболевания или отклонения в состоянии здоровья, обнаруживаемые современными методами как в процессе работы, так и в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений.

Яд – принятое в медицине обозначение вредного вещества, вызывающего отравление или смерть при попадании в организм в малом количестве.

Однако возникают затруднения при ответе на вопрос: что считать малым количеством? Есть вещества, вызывающие смерть в дозах, равных нескольким нанограммам (ботулотоксин). В то же время самый распространенный яд современности – спирт и его суррогаты. Они вызывают отравление при попадании в организм в количестве десятков и сотен грамм. В связи с этим основным понятием современной токсикологии является токсичность.

Токсичность – свойство (способность) химических веществ, действуя на биологические системы, вызывать их повреждение или гибель.

Вещества существенно различаются по токсичности. Чем меньшее количество химического вещества способно вызвать повреждение биосистемы, тем оно токсичнее.

Токсическое вещество (токсикант) – вещество, способное при взаимодействии с организмом вызывать его интоксикацию или отравление.

Токсины – ядовитые белковые вещества, продукты обмена веществ ряда микроорганизмов (например, палочки тетануса, ботулизма), а также некоторых животных и ядовитых растений, способные вызывать заболевание или гибель животных или человека.

В настоящее время человечеству известно более 10 000 000 химических соединений. Эта цифра ежегодно увеличивается на десятки тысяч наименований. Около 60 000 этих веществ используются непосредственно в быту в виде пищевых добавок, лекарственных и косметических средств, пестицидов, препаратов бытовой химии.

В связи с этим в экологической литературе избегают термина «яд» и используют нижеследующие термины.

Ксенобиотики (от греч. xenos – чужой, bios – жизнь) – чужеродные живому организму химические вещества, искусственно получаемые человеком синтетическим путем и отсутствующие в природной среде.

Поллютанты (от лат. pollution – марание, пачканье) – химические вещества, загрязняющие среду обитания; иначе говоря, загрязнители.

Экзогенные вещества (от греч. ekzo – снаружи, genesis – происхождение) – вещества, появление которых связано с деятельностью человека (термин подчеркивает неприродное происхождение соединения).

Экотоксиканты (от греч. oikos – дом, toxicon – яд) – ядовитые вещества антропогенного происхождения, вызывающие серьезные нарушения в структуре экосистем.

Суперэкотоксиканты (от лат. super – сверху, над) – вещества, обладающие в малых дозах мощным токсическим действием полифункционального характера. Для них фактически теряет смысл понятие предельно допустимой концентрации. Кроме того, они резко повышают чувствительность организмов к другим, менее токсичным ксенобиотикам.

К суперэкотоксикантам относятся диоксины, дибензофураны, бензантрацены, микотоксины, нитрозамины, нафтиламины и др.

Формирование и развитие реакций биосистемы на действие токсиканта, приводящих к ее повреждению (т. е. нарушению функций, жизнеспособности) или гибели, называется токсическим процессом.

Экотоксический процесс регистрируют на популяционном уровне. На уровне человеческой популяции он проявляется:

ü ростом заболеваемости, числом врожденных дефектов развития, уменьшением рождаемости, смертностью;

ü нарушением демографических характеристик популяции (соотношения возрастов, полов и т. д.);

ü падением средней продолжительности жизни членов популяции.

Цель токсикологии – непрерывное совершенствование системы мероприятий, средств и методов, обеспечивающих сохранение жизни, здоровья и профессиональной работоспособности отдельного человека, коллективов и населения в целом в условиях повседневного контакта с химическими веществами и при чрезвычайных ситуациях.

Она включает в себя большой набор исследований и показателей с обязательной оценкой смертельных эффектов, накопления в организме токсичных веществ кожнораздражающего, токсического, эмбриотропного действия, влияния на сердечно-сосудистую систему, репродуктивную функцию и исследование отдаленных эффектов (мутагенного, тератогенного и канцерогенного).

Большая часть этих исследований проводится на животных (мыши, крысы, морские свинки). Наиболее надежные экстраполяции на человека получаются в том случае, если данные по токсичности у различных видов животных близки. Ряд данных получают в результате обобщения наблюдений на производственных контингентах, а некоторые данные – на людях-добровольцах (например, определение раздражающего и рефлекторного действия). Исследования на людях возможны лишь в случае полной гарантии безопасности испытуемых.

Задачи токсикологии.

1. Установление количественных характеристик токсичности и определение разрыва (зоны) между дозами, вызывающими начальные признаки отравления, и дозами, вызывающими гибель организмов. Раздел токсикологии, в рамках которого осуществляется оценка токсичности химических веществ, называется токсикометрией. Полученные результаты используются для оценки риска действия ксенобиотиков в условиях производства, экологических и бытовых контактов с токсикантами; сравнительной оценки эффективности средств и методов обеспечения химической безопасности населения и т. д.

2. Изучение механизмов влияния вредного вещества на организм. Эта задача решается в рамках раздела токсикологии – токсикодинамики. Токсикодинамические характеристики необходимы прежде всего для разработки средств профилактики и терапии интоксикаций.

3. Выяснение механизмов проникновения токсикантов в организм, закономерностей их распределения, метаболизма и выведения. Этими вопросами занимается раздел токсикологии – токсикокинетика. Знания токсикокинетики ксенобиотиков необходимы для выявления профессиональной патологии, создания новых противоядий, усовершенствования методов детоксикации организма и для решения ряда других вопросов.

4. Установление факторов, влияющих на токсичность вещества: свойств токсикантов, особенностей биологических объектов, условий их взаимодействия, состояния окружающей среды и т.д. Этими вопросами занимается экспериментальная токсикология.

В настоящее время в токсикологии определились следующие направления: теоретическое (экспериментальное), профилактическое (гигиеническое) и клиническое. Теоретическая токсикология изучает:

ü общие закономерности в токсикологии и методические подходы к оценке токсичности веществ (токсикометрия);

ü механизмы токсичности, распределение и метаболизм веществ в организме (токсикокинетика и биохимическая токсикология);

ü общие закономерности в развитии патологических процессов интоксикации (токсикодинамика и патофизиологическая токсикология);

ü вопросы видовой чувствительности и переноса данных с лабораторных животных на человека (сравнительная и видовая токсикология);

ü разработку принципов антидотной терапии и профилактики, исходя из механизмов действия веществ, и другие вопросы, имеющие общетеоретическое значение.

В основе теоретической токсикологии лежит учение о движении токсических веществ в организме: пути их поступления, распределения, метаболического превращения (биотрансформации) и выведения. Одной из основных задач токсикологии и является обнаружение и характеристика токсических свойств химических веществ, которые способны вызвать в организме животных или человека патологические изменения.

Профилактическая токсикология изучает проблемы определения степени опасности и разрабатывает меры и способы предотвращения и защиты от токсического воздействия химических веществ в окружающей среде.

Это направление токсикологии включает следующие разделы:

- коммунальный;

- пищевой;

- промышленный;

- сельскохозяйственный;

- бытовой.

Промышленная токсикология изучает действие на организм токсичных веществ, используемых в промышленности, устанавливает ПДК, санитарно-гигиенические нормы на предприятиях и решает ряд других вопросов.

Пищевая токсикология обеспечивает токсикологический контроль на предприятиях пищевой промышленности.

Коммунальная токсикология изучает токсичные вещества, действующие на человека в условиях населенных мест и разрабатывает соответствующие нормативы и профилактические мероприятия.

Сельскохозяйственная токсикология изучает вредные вещества, применяемые в сельском хозяйстве (пестициды и др.).

Бытовая токсикология изучает отравления веществами, используемыми в быту.

Клиническая токсикология изучает химические болезни человека, возникающие вследствие токсического влияния химических соединений окружающей его среды. Основными разделами клинической токсикологии являются:

ü токсикология острых химических болезней (отравлений), развивающихся вследствие одномоментного воздействия токсической дозы химических соединений;

ü токсикология хронических химических болезней (отравлений), возникающих при длительном и многократном воздействии токсических веществ;

ü наркологическая токсикология, предметом изучения которой являются механизмы болезненного пристрастия человека к наркотикам и меры борьбы с ними;

ü лекарственная токсикология, задача которой – определение широты терапевтического эффекта лекарственных средств, их побочного и вредного действия на организм (лекарственная болезнь), разработка способов предупреждения и лечения лекарственных отравлений.

В последнее время к клиническому направлению токсикологии относят учение о биологическом действии синтетических материалов, имплантируемых в организм человека (сосудистые протезы, искусственные клапаны сердца, суставы и т. д.).

Кроме того, выделяют специальные виды токсикологии – судебная, военная, зоотоксикология, фитотоксикология, экотоксикология, техносферная токсикология и др., которые изучают отравления людей и животных в особых условиях или обстоятельствах при воздействии определенного вида токсических веществ. Это виды токсикологии, которые обычно включают в себя элементы всех основных направлений – теоретического, гигиенического и клинического.

Судебная токсикология изучает методы определения токсичных веществ, которые могут быть причиной отравлений и смерти, для того чтобы применить результаты исследований в судебной практике.

Ветеринарная токсикология (зоотоксикология) занимается изучением действия токсичных веществ на животных, а также вопросами защиты сельскохозяйственных животных от ядовитых веществ.

Фитотоксикология изучает воздействие ядовитых веществ на растения.

Военная токсикология изучает воздействие на организм человека боевых отравляющих веществ (БОВ) и разрабатывает методы защиты от них.

Экотоксикология изучает развитие неблагоприятных эффектов, проявляющихся при действии загрязнителей на различные виды живых организмов (от микроорганизмов до человека), как правило, на уровне популяций или экосистемы в целом. Также экотоксикология изучает судьбу химических веществ в системе биогеоценоза.

Особенно большое значение экотоксикология получила в последнее время в связи с необходимостью защиты окружающей среды от воздействия токсичных и радиоактивных веществ.

Техносферная токсикология – это область науки, изучающая законы взаимодействия живых организмов и вредных веществ, поступающих из части биосферы, преобразованной человеком с помощью прямого или косвенного воздействия.

2.Химическое загрязнение природной среды

Вследствие деятельности различных промышленных предприятий в биосферу поступает огромное количество разнообразных химических веществ. Все это изменяет привычные для человека характеристики среды обитания. Наиболее распространенными абиотическими лимитирующими факторами являются вещества-загрязнители и ионизирующее излучение.

Загрязнением называются любые изменения воздуха, вод, почв или пищевых продуктов, оказывающие нежелательное воздействие на здоровье и выживаемость человека и других живых организмов.

Тяжесть воздействия загрязняющих веществ определяют три фактора. Первый – их химическая природа, т. е. насколько они активны и вредны для человека, растений и животных. Второй – концентрация, т. е. содержание на единицу объема или массы воздуха, воды или почвы. Третий фактор – устойчивость, т. е. продолжительность существования в воздухе, воде и почве.

По масштабам загрязнения подразделяются на локальные (вокруг промышленных предприятий, животноводческих комплексов, нефтебаз и пр.), региональные (в пределах области, бассейна реки, республики, государства), глобальные (обнаруживаемые в любой точке планеты далеко от его источника; например, хлорорганические соединения в яйцах пингвинов в Антарктиде), космические (в космическом пространстве; например, отработанные ступени летательных аппаратов и пр.).

Поступление в окружающую среду загрязнителей, непосредственно образующихся в ходе естественных, природно-антропогенных и чисто антропогенных процессов, относят к первичному загрязнению. Если вещество, поступающее в окружающую среду, не вызывает отрицательных последствий, но в ходе физико-химических процессов, идущих непосредственно в среде, становится опасным, то такое загрязнение называют вторичным. Например, фреоны, поступающие в атмосферу, сами по себе не опасны, но под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца они отщепляют атом хлора, который может взаимодействовать с озоном, разрушая озоновый слой.

По характеру образования загрязнения подразделяются на природные и антропогенные. Природное загрязнение вызывается естественными причинами, без влияния человека или в результате его отдаленного косвенного воздействия на природу. Природное загрязнение в более узком понимании называется естественным, если происходит без всякого влияния человека на природные процессы; как правило, это катастрофические процессы – мощное извержение вулкана, селевой поток и т.п.

Сюда же следует отнести и геохимическое загрязнение, которое возникло в процессе образования и развития нашей планеты. При избытке какого-либо химического элемента в определенной местности геохимическое загрязнение называется положительным, а при недостатке – отрицательным.

Загрязнения, возникающие в результате хозяйственной деятельности человека, называют антропогенными. Их подразделяют на промышленные (вызываемые отдельно взятым предприятием или всей отраслью промышленности), сельскохозяйственные (возникающие при внесении удобрений, использовании ядохимикатов, сбросе отходов животноводства и других действиях, связанных с сельскохозяйственным производством), военные (возникающие в результате работы военной промышленности, военных испытаний и военных действий; также сюда можно отнести утилизацию боеприпасов).

По своей природе все загрязнения делятся на физические, физико-химические, химические, биологические и механические.

Физическое загрязнение связано с изменением физических параметров среды: температуры (тепловое загрязнение); волновых параметров (световое, шумовое, электромагнитное загрязнения); радиационных параметров (радиационное, радиоактивное загрязнения).

Единственной формой физико-химического загрязнения является аэрозольное загрязнение, т. е. загрязнение воздуха мелкодисперсными жидкими и твердыми веществами; примером этого является промышленный смог.

Проникновение в окружающую среду химических веществ, отсутствующих в этой среде ранее или изменяющих естественную концентрацию до уровня, превышающего обычную норму, относят к химическому загрязнению. Сюда входит загрязнение тяжелыми металлами (свинцом, ртутью, кадмием и др.), пестицидами, простыми или сложными химическими веществами.

Биологическое загрязнение связано с внесением в окружающую среду и размножением в ней нежелательных для человека организмов, а также с проникновением или внесением в природные экосистемы чуждых данным сообществам и обычно там отсутствующих видов организмов.

Биологическое загрязнение может быть сознательным (интродукция растений и животных, применение биологического оружия) или случайным (занос сорных растений и вредных насекомых с импортируемой продукцией или завозимой из других регионов: колорадский жук, амброзия многолетняя и др.). Загрязнение окружающей среды микроорганизмами является микробиологической формой биологического загрязнения, а загрязнение биогенными веществами (выделения, мертвые тела и т. п.) – биотической формой.

Засорение среды агентами, оказывающими неблагоприятное механическое воздействие без физико-химических последствий (например, мусором), называют механическим загрязнением. Такое выделение несколько условно, так как фактически замусоривание всегда сопровождается негативными физико-химическими эффектами.

Влияние человека на природную среду достигло такой степени, при которой дальнейший рост ее загрязнения уже не возможен без серьезных последствий для самого человека. Несмотря на это, современное общество уже не может обойтись без черной и цветной металлургии, химической промышленности, теплоэнергетики, нефте- и газо- переработки, которые являются мощными источниками загрязняющих веществ (пыли, оксидов углерода, серы и азота, углеводородов и других химических соединений).

Наиболее сильному загрязнению подвержены атмосфера, гидросфера и почвенный покров.

Загрязнение атмосферы является причиной кризисных ситуаций глобального масштаба, к которым относят изменение климата планеты и разрушение озонового слоя.

С точки зрения влияния на здоровье и адаптивные способности человека загрязнение атмосферы существенно в первую очередь не на глобальном, а на локальном уровне. Так, в результате деятельности человека повышаются концентрации озона и других токсичных веществ в приземных слоях атмосферы, возникают антропогенно стимулированные атмосферные явления (туманы, облачность, кислотные дожди) и опасные метеорологические ситуации. Это приводит к быстрым изменениям химического состава приземных слоев атмосферы, которые являются основной средой обитания человека и других наземных видов живых организмов.

Главным путем поступления химических веществ в окружающую среду признан атмосферный. Попавшие через органы дыхания химические элементы депонируются организмом человека наиболее активно. Так, например, поступивший с воздухом свинец адсорбируется кровью на 60%, из воды он всасывается лишь на 10%, а из пищи – всего на 5%. Это определяется в основном тем, что даже при незначительных концентрациях ксенобиотиков загрязненный воздух круглосуточно фильтруется легкими, что приводит к значительному по объему поступлению вредных веществ в организм. Кроме того, в легких происходит непосредственный контакт ксенобиотиков с кровью, которая затем поступает в большой круг кровообращения, минуя важный детоксикационный барьер – печень. Именно поэтому яды, поступающие в организм человека в процессе дыхания, нередко действуют в 80-100 раз сильнее, чем в случае их попадания через желудочно-кишечный тракт.

Среди разнообразных загрязняющих атмосферу химических веществ Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) выделяет группу основных примесей, которую следует контролировать в первую очередь. В нее входят: оксиды азота, диоксид серы, оксид углерода, озон, пыль, углеводороды (в том числе бенз(а)пирен), тяжелые металлы.

Различные химические вещества, загрязняющие атмосферу городов, характеризуются однотипностью действия на организм человека. Так, многие из них раздражают слизистые оболочки, что приводит к росту числа воспалительных заболеваний органов дыхания, JIOP-органов, глаз. Даже в небольших количествах они ослабляют защитные свойства организма человека, влияя на его иммунологическую реактивность, повышают уровень заболеваемости бронхиальной астмой и болезнями сердечно-сосудистой системы. Выявлена связь между уровнем загрязнения атмосферного воздуха городов и ростом генетических заболеваний, повышением количества злокачественных новообразований (в основном органов дыхания), ростом аллергических заболеваний (особенно среди детей), увеличением случаев нарушения обмена веществ, приводящих к ожирению, астении – повышенной утомляемости.

Атмосфера связана со всеми компонентами биосферы, поэтому происходящие в ней изменения влияют прямо или косвенно на человека.

В атмосфере загрязняющие вещества свободно переносятся и выпадают на землю, что является главной причиной загрязнения экосистем в естественных ландшафтах, возможности самоочищения которых весьма ограничены.

В прилегающих к урбанизированным территориям природных комплексах происходит интенсивное накопление вредных веществ в почве, воде, биоте, что приводит к значительному загрязнению сельскохозяйственной продукции и питьевой воды.

Загрязнение гидросферы. Вода – второй после атмосферного воздуха жизненно важный фактор, так как человеку для нормальной жизнедеятельности необходимо не менее двух литров чистой воды в сутки. Несбалансированное содержание в воде минеральных солей (фосфорно-калиевых, кальциевых, магниевых и ряда других) не только придает ей жесткость и специфический привкус, но и наносит организму существенный вред.

Однако особую опасность для здоровья представляют растворенные в воде токсичные вещества. Их попадание в природные воды происходит из-за промышленных сбросов сточных вод, коммунально-бытовых сбросов, сбросов нефтепродуктов, бытовых и других отходов с судового транспорта, стока дождевых и моечных вод с городских территорий, стока вод с территорий сельскохозяйственного освоения.

Наиболее распространенными загрязняющими воду веществами являются нефтепродукты, фенолы, легко окисляемые органические вещества, соединения меди, цинка, а в ряде случаев – аммонийный и нитритный азот, лигнин, ксантогенаты, анилин, метилмеркаптан, формальдегид.

В районах сельскохозяйственных угодий поверхностные воды загрязняются биогенными веществами, поступающими в результате вымывания удобрений из почвы (например, соединения азота, фосфора, калия), а также смываемыми с полей ядохимикатами (пестициды).

Химическое загрязнение питьевой воды вызывает прежде всего болезни органов пищеварения и выделительной системы. К ним относятся гастриты, язвы желудка, желчекаменная и мочекаменная болезни, нефриты. Так, при превышении в 3-5 раз содержания хлоридов и сульфатов в воде растет вероятность заболеваемости населения желче- и мочекаменной болезнями, при этом наблюдается увеличение и сосудистой патологии. Загрязнение воды органическими и неорганическими отходами промышленности приводит к поражению печени, кроветворного аппарата, к отложению солей кальция.

Наибольшую опасность для человека представляет загрязнение подземных вод на водозаборах питьевого водоснабжения. В них встречаются такие элементы, как азот, железо, магний, сульфаты, хлориды, нефтепродукты, фенолы, алюминий, кадмий, бор, бром.

Специфической проблемой для населения многих городов являются последствия хлорирования питьевой воды. Проведенные исследования показали, что хлорирование питьевой воды приводит к увеличению ее мутагенной активности, которая обусловлена в основном присутствием в воде нелетучих и относительно устойчивых органических соединений с молекулярной массой порядка 200, осаждающихся при pH 2-3. Озонирование уменьшает активность мутагенов.

В связи с загрязнением природных водоемов тяжелыми металлами, нефтепродуктами и другими химическими поллютантами многие виды обитающих там рыб не пригодны в пищу. Отмечается избирательность в накоплении поллютантов разными видами рыб. Например, бычки избыточно накапливают хром, камбала – медь, сельдь – кадмий, а осетры – свинец.

Загрязнение почвенного покрова. В наибольшей степени почва загрязнена в зонах влияния промышленных предприятий и автомагистралей, существенны загрязнения почв селитебных (с жилыми домами и общественными зданиями) зон, а также мест сельскохозяйственного производства.

Чаще всего отклонения от санитарных норм проявляются по микробиологическим показателям и при оценке содержания в пробах почвы тяжелых металлов, радиоактивных веществ и пестицидов.

Загрязнение почвы влияет на человека путем вторичного загрязнения воздуха, природных вод, а также используемых в пищу растений. Дело в том, что ряд видов растений проявляют повышенную устойчивость по отношению к влиянию токсических факторов, поэтому в условиях загрязнения почвенного покрова не погибают, а накапливают поллютанты. При употреблении человеком таких растений в пищу поллютанты попадают в его организм.

Особую опасность представляет отчетливо выраженная (в большей степени, чем у высших растений) способность съедобных грибов к накоплению тяжелых металлов. Концентрация ртути в грибах может быть в 30-550 раз больше, чем в почве, где они произрастают. Существуют видовые особенности в накоплении грибами тяжелых металлов. Для свинушки, черного груздя и дождевика-головача характерно биологическое накопление меди, для подберезовика — кадмия, а для летнего опенка — кобальта и цинка. В сыроежках тяжелых металлов накапливается меньше, чем в шампиньонах и подберезовиках. В результате употребление в пищу грибов, собранных на загрязненных территориях, может вызвать острое отравление вплоть до летального исхода.

Видовая специфика в поглощении тяжелых металлов характерна и для высших растений. Так, к интенсивным концентраторам тяжелых металлов относятся, например, многие зеленые сельскохозяйственные культуры, среди которых укроп. Капуста, картофель и морковь аккумулируют тяжелые металлы в меньших количествах.

Педогенный (почвенный) фактор загрязнения овощных культур имеет существенное значение лишь при очень высоких уровнях концентраций тяжелых металлов в почвах сельскохозяйственных угодий, превышающих ПДК более чем в 10 раз. Однако при этом следует учитывать физико-химические свойства рассматриваемых почв, так как они влияют на миграцию тяжелых металлов из почвы в растения.

Не меньшей, чем загрязнение сельскохозяйственных культур, проблемой является загрязнение лекарственных растений. В больших количествах такие растения используются и в фармакологической промышленности, так как содержат биологически активные вещества, необходимые для лечения ряда тяжелых заболеваний. Лекарственные растения, кроме фармакологически активных веществ, нередко содержат и вредные для человека соединения, в состав которых входят тяжелые металлы. Их содержание носит выраженный региональный характер, связанный с различиями природно-климатических и экологических условий территорий, где ведется заготовка фитосырья. К сожалению, экологическая чистота лекарственных растений в Российской Федерации не регламентируется ни одним нормативно-техническим документом.

При анализе особенностей распределения химических элементов по различным органам лекарственных растений выявлено преобладание железа, кадмия, титана, стронция, цинка в подземных частях, а таких элементов, как калий, марганец, йод, бром, рубидий, - в надземных частях исследованных видов растений. Кроме того, было выяснено, что больше всего их накапливается в фазу полного цветения, при этом максимальный эффект биоаккумуляции отмечается в корневищах (в системе «корни – корневище») и чашелистниках (в системе «лепестки – чашелистники»).

Результатом комплексного воздействия химических веществ, попадающих в организм из разных источников, является их накопление в органах и тканях человека – так называемое бионакопление.

Выяснено, в частности, что на территориях с высоким уровнем загрязнения атмосферного воздуха и почвенного покрова у 70% детей повышено содержание свинца, меди, цинка, никеля и ряда других металлов в волосах и в моче. При этом у детей отмечены изменения мочеполовой системы, желудочно-кишечного тракта и иммунного статуса, что приводит к росту заболеваемости и снижению резистентности организма к факторам внешней среды.

Проведение биомониторинга микроэлементов по результатам анализа индикаторных биосубстратов человека позволяет выявить основные закономерности изменения микроэлементного состава у горожан и приоритетные элементы-загрязнители для разных территорий.

Наблюдается и повсеместное накопление (не связанное с деятельностью промышленных предприятий) химических элементов в организме человека за счет загрязнения атмосферного воздуха отработанными газами автотранспорта. Среди других вредоносных элементов, накапливающихся в организме человека, одним из самых распространенных является свинец. Например, в волосах детей, проживающих в городах с интенсивным движением автотранспорта, свинец в 50% случаев превышает допустимые значения. Повышены биоконцентрации и других элементов: брома, ртути, серебра, мышьяка.

В организмах жителей крупных городов наблюдается не только повышенная концентрация ряда токсичных элементов, но и понижение содержания некоторых биоэлементов. Так, например, на фоне повышенного содержания свинца наблюдается снижение концентрации одного из жизненно важных микроэлементов – цинка.

3.Миграция загрязнений в природных средах

Экологическая опасность химических веществ определяется, с одной стороны, токсическим действием на живые организмы, а с другой – способностью вещества к миграции в природных средах. В связи с этим изучение экологической опасности загрязнения природной среды веществами антропогенного происхождения включает рассмотрение путей их миграции и трансформации в природных средах.

В принципиальной схеме миграции загрязнений антропогенного происхождения в природных средах можно выделить пять стадий.

Первая стадия. Это стадия поступления загрязнений из источников их образования в природные среды. В атмосферный воздух летучие вредные вещества поступают в виде газов, паров и мелкодисперсных частиц. В водоемы загрязнения сбрасывают в виде промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод, в которых загрязняющие вещества находятся в виде растворов, эмульсий или взвесей.

Сточные воды перед сбросом в водоемы должны подвергаться предварительной очистке от загрязнений на очистных сооружениях. Перегрузка очистных сооружений, устаревшие технологии очистки, а в ряде случаев их отсутствие приводит к тому, что со сточными водами в водоемы поступают значительные количества самых разных загрязнений. Третий путь поступления загрязнений в природную среду – накопление в почве на свалках и в местах захоронения твердых производственных и бытовых отходов, в том числе выработавшей ресурс и уничтожаемой техники и материалов.

Вторая стадия. На этой стадии происходит миграция загрязнений внутри природных сред – перенос воздушными массами, стоком рек и морскими течениями. Одновременно происходит миграция загрязнений между геосферами в виде кислотных дождей и седиментации взвешенных в атмосферном воздухе твердых частиц на поверхность почвы и водоемов. Повышение кислотности среды приводит к растворению многих токсичных тяжелых металлов.

Миграция химических веществ между геосферами происходит в результате испарения с поверхности почвы и водоемов летучих веществ, поступающих в атмосферу. Летучие вещества в почве и водоемах образуются в процессе химических и биохимических превращений твердых отходов природного и антропогенного происхождения. Растворимые в воде вещества, содержащиеся в почвах, в том числе и на свалках, вымываются атмосферными осадками, талыми и грунтовыми водами и затем транспортируются в водоемы. Растворенные в воде водоемов биогенные вещества и антропогенные загрязнения при поливе сельскохозяйственных угодий и во время весенних паводков накапливаются в почве.

Третья стадия. На этой стадии происходит перемещение загрязнений из атмосферы, почвы суши в виде почвенного раствора через корневую систему в растения. Аналогичный процесс происходит и в водоемах, отличающихся тем, что в водные растения поступают загрязнения, содержащиеся в донных отложениях и воде водоемов.

Почвенный раствор является основным источником химических элементов питания растений и микроорганизмов почвы. В составе почвенных растворов в регионах с повышенным антропогенным загрязнением имеет место повышенная концентрация ионов Н⁺, S0₄²~, А1³⁺, Мn³⁺, Сu²⁺, Mg²⁺ и многих тяжелых металлов. Снижение pH почвенного раствора, как и воды водоемов, приводит к тяжелым экологическим последствиям, которые заключаются в увеличении растворимости в кислой среде многих высокотоксичных металлов. В кислых почвенных растворах и в воде водоемов с pH ˂ 6 концентрации тяжелых металлов (Сu, Рb, Hg, As, Sb и др.) достигают 10-1000 мг/л, тогда как в «чистых» почвенных растворах и водоемах их содержание измеряется микрограммовыми количествами. Увеличение кислотности почв отражается на жизнедеятельности почвенных микроорганизмов и приводит к повышенному содержанию тяжелых металлов и алюминия в растительности, в том числе и в овощах, потребляемых человеком.

Серьезную экологическую опасность представляют грунтовые и поверхностные воды, формирующиеся в местах организованного и стихийного складирования производственных и хозяйственно-бытовых отходов. В этих водах могут присутствовать самые разные химические элементы и вещества в непредсказуемых концентрациях.

Четвертая стадия. Поступление загрязнений в организмы животных, обитающих на суше, с растительными кормами, в процессе дыхания и с питьевой водой. В организмах гидробионтов концентрируются загрязнения, растворенные в воде водоемов, содержащиеся в водной растительности и планктоне. Например, в планктоне концентрация загрязнителей в тысячи раз превышает концентрацию таких веществ в водоеме (концентрация свинца больше в 12 000 раз, кобальта — в 16 000, а меди — в 90 000 раз).

Пятая стадия. Поступление антропогенных загрязнений, содержащихся в злаках, овощах, фруктах, ягодах, в мясе животных, рыбе и морепродуктах, при их переработке в пищевые продукты в организм человека. Одновременно в процессе дыхания и употребления питьевой воды в организм человека поступают загрязнения, находящиеся в атмосферном воздухе и питьевой воде.

4.Основная причина загрязнения окружающей среды

Все живое в биосфере существует благодаря природным ресурсам, под которыми понимают компоненты и свойства природной среды, которые используются или могут быть использованы для удовлетворения разнообразных материальных и духовных потребностей человеческого общества.

Ресурсы, которыми располагает наша планета, принято делить на исчерпаемые и неисчерпаемые.

Неисчерпаемость космоса, энергии Солнца, гравитации и многого другого в масштабе сроков эволюции человека в биосфере очевидна.

Быстро возобновимые исчерпаемые ресурсы воссоздаются популяциями, имеющими высокую способность к размножению и большую скорость роста (травяная растительность, животные).

Относительно возобновимые ресурсы способны к воспроизводству в темпах, отстающих от темпов потребления. Они являются сложными многокомпонентными экосистемами (почва, лес). Так, почва — результат деятельности почвенных микроорганизмов, растений, грибов и животных — способна возродить свое плодородие, но происходит это крайне медленно. Для восстановления 1 см толщины плодородного слоя почвы потребуется около 150 лет. Скорость процесса восстановления зависит от климата и ландшафта зоны. Для восстановления зрелого хвойного леса требуется около 100 лет.

Невозобновимые ресурсы биосферы (ископаемые руды и топливо, осадочные породы и др.) и сейчас образуются при геохимических процессах в недрах, глубинах океана, а также на поверхности земной коры, но скорость их формирования несравненно меньше скорости их потребления человеческим обществом.

Для получения энергии, создания необходимой продукции человек находит, добывает и перемещает к местам переработки необходимые природные ресурсы, вовлекая их в ресурсный цикл. Ресурсный цикл — это совокупность превращений и пространственных перемещений определенного вещества или группы веществ, происходящих на всех этапах использования его человеком. Слово «цикл» подразумевает замкнутость процесса. В природе все вещества находятся в замкнутых биохимических циклах.

Ресурсный цикл, иногда называемый антропогенным круговоротом веществ, фактически не замкнут.

На каждом его этапе неизбежны потери, являющиеся следствием особенностей технологий либо каких-нибудь объективных или субъективных причин.

Считается, что на всех этапах ресурсного цикла в окружающей среде рассеивается до 98% добываемого минерального сырья.

Предметы массового потребления после использования так или иначе оказываются в окружающей среде, загрязняя ее. Многие отходы преобразуются в воде, почве и атмосфере, превращаясь в еще более опасные для здоровья человека вещества, которые представляют собой вторичные загрязнения.

По мере прохождения через ресурсный цикл вещества, ранее сконцентрированные в том или ином месте локализации, рассеиваются. Рассеиваются не исходные, а трансформированные или утраченные в процессе ресурсного цикла вещества, которые загрязняют природную среду. Таким образом, главной объективной причиной загрязнения среды является незамкнутость ресурсного цикла.

5.Загрязнение окружающей среды отходами производства и потребления

Незамкнутость ресурсного цикла приводит к загрязнению окружающей среды отходами. Ежегодно в биосферу (в основном в литосферу) поступает до 30 млрд тонн всех видов отходов. Такое большое количество связано с несовершенством современных технологий. По некоторым данным, на производство конечной продукции используется не более 7% добываемого сырья. На каждого жителя Земли извлекается до 100 т породы в год. Анализ тенденций развития современного хозяйства показывает, что число отходов удваивается каждые 10-12 лет.

Сконцентрированные в отвалах, хвостохранилищах, терриконах, несанкционированных свалках отходы являются источником загрязнения атмосферного воздуха, подземных и поверхностных вод, почв и растительности. Из-за недостатка полигонов захоронения они в основном вывозятся на несанкционированные свалки. Обезвреживается и утилизируется только пятая часть.

Утилизация и ликвидация отходов связаны с их состоянием, составом, характеристиками и токсичностью. В зависимости от состояния отходы делятся на твердые (отходы металлов, пластмасс, пыли минерального и органического происхождения, шлак, бумага, ткани и пр.), жидкие и газообразные.

По гигиеническому принципу, связанному со степенью опасности, вызванной токсичностью, отходы делятся на шесть категорий (табл. 1). Более 50% всех отходов относятся к категории I, а примерно 10% — к категориям V и VI.

По происхождению отходы подразделяют на бытовые и промышленные (производственные).

Бытовые отходы могут находиться в твердом, жидком и реже – в газообразном состояниях. Твердые бытовые отходы (ТБО) – совокупность твердых веществ (пластмасса, бумага, стекло, кожа и др.) и пищевых отбросов, образующихся в бытовых условиях. Жидкие бытовые отходы представлены в основном сточными водами хозяйственно-бытового назначения. Газообразные — выбросами различных газов.

Твердые бытовые отходы чрезвычайно разнородны по составу: пищевые остатки, бумага, металлолом, резина, стекло, древесина, ткань, синтетические и другие вещества. Атмосферные осадки, солнечная радиация и выделение тепла в связи с поверхностными, подземными пожарами, возгораниями способствуют протеканию на полигонах ТБО непредсказуемых физико-химических и биохимических процессов, продуктами которых являются многочисленные токсичные химические соединения в жидком, твердом и газообразном состояниях. Биогенное воздействие ТБО выражается в том, что отходы благоприятны для размножения насекомых, птиц, грызунов, других млекопитающих, микроорганизмов. При этом птицы и насекомые могут быть разносчиками болезнетворных бактерий и вирусов на большие расстояния.

Таблица 1

Классификация отходов по гигиеническому принципу

Категория	Химико-токсикологическая характеристика отходов	Рекомендуемые меры по ликвидации или утилизации
I	Инертные	Использование для планировочных работ
II	Легкоразлагающиеся органические	Складирование или переработка
III	Слаботоксичные, слаборастворимые в воде	Складирование
IV	Нефтемаслоподобные	Сжигание
V	Токсичные, со слабым загрязнением воздуха	Складирование на полигоне промышленных и бытовых отходов
VI	Токсичные	Групповое или индивидуальное обезвреживание на специальных сооружениях

Исследованиями, выполненными в России, установлено формирование вокруг полигонов ТБО динамичных ореолов поликомпонентного загрязнения поверхностных и подземных вод, других природных сред с температурой токсичного фильтрата, вытекающего из-под свалок, до 40-50°С. Такая повышенная температура связана с экзотермическими химическими реакциями, происходящими в отходах. В загрязненных поверхностных и подземных водах зафиксированы высокие концентрации тяжелых металлов (в виде ионов и металлоорганических соединений), хлоридов и других галогенов, органических веществ, а также колонии разнообразных микроорганизмов.

Потоки загрязненных вод со свалок перехватываются геохимическими барьерами разного рода (окислительно-восстановительный, глеевый, сорбционный и др.), гидродинамическими ловушками (бессточные водоемы, старичные озера, поймы, болота). Многие токсичные вещества интенсивно накапливаются в донных отложениях поверхностных водотоков и водоемов.

Однако заметная часть загрязнителей, растворенных в воде, путем инфильтрации проникает в подземную гидросферу. Длительное поступление в подземные воды загрязненного поверхностного стока от полигонов ТБО может привести к образованию токсичных веществ в водоносных горизонтах питьевого водоснабжения. Вдоль направлений движений подземного стока по зонам активных глубинных разломов прослеживаются наиболее протяженные «языки» загрязнения подземной гидросферы.

Не менее опасны сточные воды и фекальные стоки селитебных зон. Несмотря на строительство очистных сооружений и другие мероприятия, снижение негативного воздействия таких сточных вод на окружающую среду является актуальной проблемой всех урбанизированных территорий. Особая опасность в этом случае связана с бактериальным загрязнением среды обитания и возможностью вспышек различных эпидемических заболеваний.

Промышленные (производственные) отходы — это остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, образовавшихся при производстве продукции или выполнении работ и утратившие полностью или частично исходные потребительские свойства. Они также бывают твердыми (отходы металлов, пластмасс, древесина и т.д.), жидкими (производственные сточные воды, отработанные органические растворители и т. д.) и газообразными (выбросы промышленных печей, автотранспорта и т. д.).

Промышленные отходы, как и ТБО, разнообразны по химическому составу. С учетом физико-химических, механических свойств, специфики образования, возможностей переработки и обезвреживания они разделяются на неорганические и органические. В органические отходы входят осадки городских очистных сооружений, отходы пищевой и мясомолочной промышленности, текстильные, древесные и бумажные отходы, нефтеотходы и нефтешлаки, отходы лаков, красок, эмалей, резинотехнических изделий, отработанные шины и покрышки автомобилей, пластмассы, полимеры, искусственные волокна. Неорганические отходы подразделяются на метало- и стеклоотходы, гальваношламы и осадки химреагентов, ртутные и люминесцентные лампы, отходы стройиндустрии, производственный мусор. Некоторые виды промышленных отходов не только токсичные, но и взрыво-, пожароопасные.

Особенно опасны отходы химической и нефтеперерабатывающей промышленности и биохимических производств, имеющих дело с высокотоксичными химическими элементами и соединениями, бактериями и вирусами. К таким элементам относятся прежде всего тяжелые металлы ввиду того, что они не подвержены биохимическому разложению и легко проникают в организм человека и пищевую цепь.

Большую опасность представляют жидкие промышленные стоки, которые характеризуются высокими концентрациями многих токсичных веществ и могут проникать в гидрографическую сеть и подземные воды, загрязняя их и отрицательно воздействуя на качество питьевой воды, биоту, почвенно-растительный покров. Одними из наиболее распространенных компонентов жидких отходов являются нефтепродукты, связанные с широким употреблением углеводородов не только на автотранспорте, но и в различных отраслях промышленности.

Добыча твердых полезных ископаемых (уголь, горючие сланцы, фосфориты, соли, руды металлов и радиоактивных элементов, гипс, глинистое и цементное сырье) вызывает как нарушение сложившихся гидродинамических, геохимических условий, так и перемещение, складирование огромных масс горных пород, содержащих многие токсичные химические элементы и соединения. Примерами могут служить терриконы угольных шахт, отвалы вблизи карьеров при наземной добыче сульфидных руд. Эти терриконы и отвалы подвергаются интенсивной физико-химической обработке под воздействием многочисленных природных факторов и являются крупными источниками комплексного загрязнения окружающей среды. Микроэлементы в углях и вмещающих их породах связаны в основном с органическим веществом и сульфидами. При взаимодействии с кислородом и тионовыми бактериями они окисляются, что является одной из причин самовозгорания углей и углефицированных пород терриконов, образования кислотных поверхностных водотоков. Проблема усугубляется тем, что даже закрытие угольных шахт в России, как показали исследования, будет сопровождаться разнообразными, и в том числе весьма опасными, экологическими последствиями, связанными с подтоплением территорий, повышением химической агрессивности вод, воздействием отходов и вредных отвалов.

При извлечении из недр урана и некоторых других металлов в настоящее время стал широко применяться метод подземного выщелачивания, при котором твердые рудные концентрации растворяют специальными реагентами. Остатки таких реагентов в зоне выщелачивания являются своеобразными отходами при добыче полезных ископаемых. При закачке больших количеств токсичных реагентов на глубину, ореол их отрицательного влияния может быть значительным, особенно в артезианских бассейнах.

Добыча жидких и газообразных полезных ископаемых (нефть, рассолы, газ, гидроминеральное сырье) сопряжена не только с существенным нарушением природной гидродинамической обстановки, но и образованием на территории производственных отходов различных видов: сливов нефти и нефтепродуктов, промывочных жидкостей и буровых растворов, свалок изношенного оборудования и т. д. Вследствие этого некоторые районы нефте- и газодобычи можно рассматривать как «гигантские свалки».

Чрезвычайно широкие вариации химического состава, фазового состояния и устойчивости, а также длительность пребывания отходов в различных природно-техногенных условиях предопределяют широкий диапазон и комплексный характер их воздействия на окружающую среду и население.

Опасные отходы сельскохозяйственных производств – навозохранилища, оставшиеся на полях остатки ядохимикатов, химических удобрений, пестицидов, а также необустроенные кладбища животных, погибших в период эпидемий. Большое количество таких отходов и высокая концентрация в них токсичных веществ могут оказать заметное отрицательное воздействие на окружающую среду.

Опасность пестицидов заключается в том, что некоторые из них термодинамически устойчивы, обладают повышенной растворимостью в воде и способностью накапливаться в живых организмах. Поэтому попадание таких пестицидов в гидросеть представляет угрозу для среды обитания человека. На территории России известны водоемы и водотоки с чрезвычайно высокими концентрациями пестицидов в донных отложениях.

Воздействие твердых отходов на приземную атмосферу состоит прежде всего в том, что в жаркие и теплые периоды времени происходит интенсивное испарение разнообразных загрязняющих веществ (ртуть, мышьяк и другие летучие тяжелые металлы, газообразные соединения химических реакций в теле свалки). Частые самовозгорания и пожары на полигонах отходов также способствуют загрязнению атмосферы. При горении могут образовываться такие вредные соединения, как диоксины, фураны, хлорированный дибензодиозон. Поэтому в Швеции и ряде других стран сжигание бытовых отходов запрещено.

Многие крупные города сталкиваются с проблемой загрязнения приземного слоя атмосферы метаном и его гомологами из-за того, что новые дома и производственные помещения построены на бывших городских свалках. Метан и другие углеводороды, образующиеся при разложении засыпанных отходов, проникают в подвалы, нижние этажи зданий, и их окисление может привести к формированию в воздухе повышенных концентраций угарного и углекислого газов, что, в свою очередь, станет причиной тяжелых отравлений и гибели людей.

Приземная атмосфера полигонов, на которых размещены твердые и опасные отходы, часто загрязнена пылью, сажей, пестицидами и другими тонкодисперсными твердыми частицами, которые поднимаются вверх с воздушными потоками и оседают на поверхности земли вблизи свалок. При этом особо неблагоприятная экологическая ситуация создается для селитебных зон, расположенных по направлению устойчивого перемещения воздушных масс в приземном слое атмосферы. Горящие угольные отвалы выделяют в атмосферу угарный и углекислый газы, оксиды серы и азота, сероводород, концентрации которых во много раз превышают допустимые нормы.

Загрязнение почвенно-растительного покрова на полигонах хранения и захоронения твердых и опасных отходов связано с усвоением почвами и растениями загрязняющих веществ, мигрирующих от этих источников в разных направлениях. Почва представляет собой контрастный геохимический барьер, на котором накапливаются тяжелые металлы, радионуклиды, пестициды и многие другие опасные загрязнители. Гумусовое вещество и микроорганизмы в почвах вызывают их трансформацию, образование высокотоксичных соединений типа метил ртути, алкила свинца. Радиус ореола негативного воздействия на почвенно-растительный покров крупных свалок ТБО достигает 2-3 км. Оксиды серы и азота в приземном слое атмосферы над отвалами, связанными с добычей угля, сульфидных руд, образуют кислотные дожди.

Таким образом, твердые и опасные отходы оказывают комплексное негативное воздействие на все компоненты многоэтажной структуры ландшафтов. Особая опасность связана с проникновением загрязняющих веществ в пищевую цепь и организм человека. Результаты специальных исследований, выполненных как в России, так и за рубежом, свидетельствуют о том, что масштаб и интенсивность негативного воздействия крупных полигонов размещения отходов на окружающую среду более значительны, чем принято считать. Пути и механизмы такого воздействия отличаются повышенной сложностью и еще недостаточно изучены.

Оценка и прогнозирование воздействия твердых и опасных отходов на человека, пищевую цепь, окружающую среду в настоящее время являются приоритетными экологическими проблемами во всем мире. Для их решения во многих странах разработаны долгосрочные программы исследований стоимостью до нескольких десятков миллиардов долларов, а также нормативные и законодательные акты, касающиеся размещения опасных отходов в геологической среде. В соответствии с принципом превентивности главное внимание уделяется обеспечению безопасности хранения и захоронения отходов, гарантирующих охрану здоровья населения на такой срок, пока они не станут безвредными для человека.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Что изучает наука токсикология и каковы ее основные задачи?

2. Какова структура современной токсикологии как науки?

3. Какие синонимы термина «яд» используют в экологической литературе?

4. Назовите главную причину загрязнения окружающей среды.

5. Какие факторы определяют тяжесть воздействия загрязняющих веществ?

6. Какие компоненты природной среды подвержены наиболее сильному загрязнению?

7. Каким образом загрязнения мигрируют в природных средах?

8. Что понимают под отходами производства и потребления?

9. На какие категории разделяют отходы по гигиеническому принципу?

10. В чем заключается влияние твердых отходов на окружающую среду?